铂电阻温度测量系统设计汇总

1、传感器及变送电路学年设计报告铂电阻温度测量系统设计姓名：班级：学号：2013年12月27日-I-目录错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。15第1章总体方案与精度设计1.1不同方案分析与比对.1.2传感器设计第2章总体方案设计2.1方案一2.2方案二2.3方案三2.4方案分析对比2.5小结第3章具体设计与特性分析错误！未定义书签。3.1传感器设计3.2转换电路设计3.3传感器总体分析错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.4使用条件和误差补偿错误！未定义书签。3.5仿真实

2、验错误！未定义书签。3.6小结18总结错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。附录错误！未定义书签。哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告第1章总体方案与精度设计1.1 不同方案分析与比对方案一：PtlOO电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用PtlOO热电阻，当Ptl00电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。以78E5l单片机为处理器，采用恒流源为信号获取电路的测温方案，恒流源通过PtlOO热电阻

3、，温度变化引起PtlOO电阻值的变化，从引起电压的变化，放大后经AD采用后，送由单片机处理，换算出相应温度。为了达到高精度、宽量程的测温要求，选用的是AD转换芯片是12位串行AD芯片MAX127O。方案二：铂电阻传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。按照IEC751国际标准，现在常用的Ptl000(Ro=l000Q)是以温度系数TCR=O.OO3851为标准统一设计的铂电阻。本温度测量系统采用三线制恒流源驱动法驱动铂电阻传感器。三线制恒流源驱动法是指用硬件电路消除铂电阻传感器

4、的固定电阻(零度电阻)，直接测量传感器的电阻变化量。图l为三线制恒流源驱动法高精度测量方案，参考电阻与传感器串联连接，用恒流源驱动，电路各元件将产生相应的电压，传感器因温度变化部分电阻的电压可以由后面的放大电路和AD转换器直接测量，并采用2次电压测量交换驱动电流方向，在每个电流方向上各测量一次。其特点是直接测量传感器的电阻变化量，AD转换器利用效率高，电路输出电压同电阻变化量成线性关系。传感器采用三线制接法能有效地消除导线电阻和自热效应的影响。利用单片机系统控制两次测量电压可以避免接线势垒电压及放大器、A/D转换器的失调与漂移产生的系统误差，还可以校准铂电阻传感器精度。恒流源与AD转换器共用参

5、考基准，这样根据AD转换器的计量比率变换原理，可以消除参考基准不稳定产生的误差，不过对恒流源要求较高，电路结构较为复杂。为了进一步克服噪声和随机误差对测量精度和稳定度的影响，最后在上位机中采用MLS数值算法实现噪声抵消，大大提高了温度测量精度和稳定度。一般pt1000的反应灵敏度比pt100的高，测量温度范围是-200-800度，pt1000适合测量小量程温度变化（原因是温度变化一度阻值增大和减小3.8欧姆，后级电路容易检测），pt100适合测量稍大量程的温度变化（原因是温度变化一度，阻值增大和减小0.38欧姆），有些场合二者皆适合。这次实验需要测得温度是0-100度，属于小量程的测温，因此选

6、择Pt1000作为本课题的温度传感器。1.2传感器设计1.铂的物理、化学性能非常稳定，它具有以下特性：（1）熔点高达1768C，无论化学性质，还是电学性质都非常稳定。（2）富有延展性，容易加工成极细的金属丝。（3）电阻-温度特性呈良好的线形。温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，通过研究发现，金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Q，电阻变化率为0.3851Q/C。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用

7、温度范围广，是中低温区（-200650C）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。铂电阻的温度系数TCR按IEC751国际标准，温度系数TCR=0.003851，Pt100(R0=100Q)、Pt1000(R0=1000Q)为统一设计型铂电阻。TCR=(R100-R0)/(R0X100)其中Q遐时标准电阻值臨1000时梶准电阻值RxePtlOO100.00洱&51PtlOOO1000.01385.1传感器结构图-13-P匚L壬tLAL接线方式又可分感器误两线制：传电阻带来的附加度不宜过长。三线制：要求衡电桥，铂电阻作别

8、接到铂电阻所在结果没有任何影响二线制电阻变化值与连接目实际测量值偏高，为：两线制和四线制，详细如下。导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长出的三根导纟电桥的一个桥臂电阻勺桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响。采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。四线制：是热电阻测温理想的接线方式。四线制不在使用桥式电路而是采用恒流源的方式，四线分为恒流源动力引线和驱动引线两部分。恒流源驱动电路中PT1

9、和PT4两条弓线属于恒流源动力弓线，负责将铂电阻传感器连接到恒流源，仪用放大电路中PT2和PT3两条引线输入传感引线，负责将铂电阻传感器的电压连接到放大电路。由此将驱动恒流源与温度检测电路分开，保证即使PT1和PT4两条引线电阻出现压降也不会影响测量的准确性。温度/电阻特性-200vtv0CRt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3戋截面积和长度均相同，匚测量铂电阻的电路一般是不平，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分在tC时的电阻值在oc时的电阻值Ovtv85OCRt=RO(1+At+Bt2RtR0TCR=0.003851时的系数值系数ABC数值-5.丁话斃1on亍-4.1曲近叱r1

10、.3精度设计总精度等级为1级，最大示值误差为1C,因此考虑将电路部分分成两部分按等精度分配原则，传感器部分为第一部分，第一部分精度为0.7。总电路部分为第二部分，第二部分精度为0.7。通过精度计算精度为0.99约等于1，可以认为符合精度要求。传感器设计使用材料：铂使用温度范围：0100C电阻丝直径：0.03mm电阻率：0.0981引线：2m化学稳定性：在氧化性介质中性能稳定，不宜在还原性介质中使用，尤其在高温情况下。特性：特性接近线性，性能稳定，精度高。应用：可作标准测温装置1.4小结通过对这一阶段的学习设计，是我对传感器总体认知，主要在精度分析的方面有了更多的了解，尤其在精度分配，精度的计算

11、，更够综合的运用传感器，测控电路，误差等课程的知识对电路进行分析第2章电路设计与调试2.1 电路设计温度测量模拟电路是把当前PT1000热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，即通过采用Pt1000作为温度敏感元件，经过三线制恒流源电路、运算放大电路等环节，使当温度在0至到100摄氏度变化时，输出信号的幅值为05V。一）传感器电路设计总体框图R5-MA-SJfcQSJfcQ：:.R13.：.2-2ta:vw-：1D：2kQXSC2-TflB.二）调制电路XFG15.1fcQMRF901I1VQQLH3SBADVDD二10：R14M胖酣qmg；2.21iD24I.-AWV-i：5.1kD（

12、1：脉冲平衡调制电路如图所示，它由两个电子开关，一个运算放大器和两个脉冲信号Ua和Ub组成。电路中电阻均为5.1KQ，接方波处的电阻为2.2KQ，放大器处的反馈电阻为10.2KQ。电路中的电子开关用两个晶体管构成。两个输入脉冲信号Ua与Ub的幅值和频率相等，相位相反。由此可见，当增益为GI1时，输出信号为-Ui,而当第二种状态时，输出信号为+Ui。这样，由于两个晶体管受到两个相位相反的脉冲控制，使输入信号Ui的极性不断地“变换”，所以在输出端就得到与输入信号相反的脉冲平衡调制波。调制电路产生的波形如图所示：S3（三）方波电路-f六2、3FR16己IMS1小肝&3fm4732AR20-Wv-ti

13、nnI&IkO2.2kOVC鄭&U3A亠/J1&0DR13一%WTOOQ0311N4732A|ijLM32M)-癒Osci115cope-XSC2该电路前一部分是积分电路，后一部分为滞回比较器。作用：积分电路：利用RC回路的充放电来产生三角波。滞回电路：产生方波，方波的频率为f=R3/4*Rl*R2*C。计算可以得到：方波的频率f=7500Hz，方波的占空比为50%。该电路中调节Rl，R2，R3的阻值和C的容值，可以改变振荡频率；调节Rl，R2的阻值可以改变方波的幅值。矩形波的振荡周期为：T二2RCln1+14RIR3丿调整电阻R,R,R和电容C.的数值可以矩形波的振荡周期。本电路震荡频率为5

14、000Hz。1344方波发生电路产生的方波如下图所示：四）解调电路上图为双极性振幅调制电路的电路图，在这里研究该电路的解调。图为、脉冲平衡式双开关解调电路，由两个运算放大器和两个电子开关组成。其中，A2为反向放大器，A1位反向加法器。晶体管Q1和Q2是两个电子开关，C为交流耦合电容，起隔直流作用。反向器A2使A点电压与输入信号反相，B点电压与输入信号相同。由于所有元件全是对称匹配的，所以Ua与Ub也是反相对称的。解调电路波形图：五）测温电路z-EVV1EEVEE3VEEUSV-A（六）直流电桥JptlOO可将温度的变化转换为电阻的变化,于应变量和艸变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直

15、接处理。因此，变化。直流电桥的优点是：高稳定度的直流电源易壬获得，电桥调节平衡简单，导线的分布参数影响小。采用直流电桥电路把电阻变化转换成电压RSJF*Wr-3W.通过比较恒流源供电与电压供电的优缺点，决定采用恒流源供电，其优点为响应速度快、恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载（阻性、感性、容性）。用LM334构成的恒流源简单易行，电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。1210k|.10k|.11R3200|2.68mA（七）放大电路放大环节采用三运放高共模抑制比放大电路。它由三个运算放大器组成，其中两个为性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相

16、输入运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，有利于抑制共模干扰和减小温度漂移。另一个为差动输出级，进一步抑制共模信号。iiLM324NqU1BR720kQ4的i100kQ4U1ATw25R10-AW5.1kQ鬆11kQ-rUI2DUi2nLM324N计算推导匕厂/-R2，U.厂J-E防UO1U-Ui1o1R5U-Ui2升一-R16U-Uo2i2R7.Ui1R5.Ui2UO2.UI2.Ui1Uo3R)11R+R丿911R)1OR丿8U02R8o12.2电路仿真方波电路总仿真图弋O1-rTB8rU2仿i+R沾R6i26Ri16测温电路PCB图利用仿真软件对发生方波析提供有效的途径。通过过R7.U，

17、误差的分调节*.电路图进行仿真焊接实物:减少错误仿真电路对精度的分配-|哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告-19-PCB图oRB0000ooooooR9O亠R12Q1W3CrR3TR32OO丄丄丄R20o亠P2SR19R?oo丄.丄LLPIPR18|o*IXXIR53?R2mR302FMClDicewen2IfangtK)22z(800住11000声HooooesoooooorleoooooQonOOOOOOOOAOOOOOOOOM肚OO0O諜-rjsoobQooo-0OOOJzOOCOQQ示波器波形图：方波波形：2.4小结在本阶段的工作中，方波电路，温度测量电路的仿真电路设计、布局

18、、排版，以及后期电路的调试过程中遇到了一些问题，如仿真电路连线的错误，仿真电路元器件数据的确定，调试过程中电路的不准确。在解决这些问题的时候，学到了很多平时课堂上没有注意到的知识，查缺补漏，也加深的这些知识的记忆，动手能力得到增强，而且再动手的过程中，对于课上学到的东西有了更深的理解。哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告050100150第3章系统标定与测量3.1 系统标定外界温度为0C时，电阻值为1000Q，电压值为0.00123V；外界温度为100C时，电阻值为1385.055Q，电压值为5V。3.2 实际测量实验温度(C)01020304050电阻(Q)10001039.0251

19、077.9351116.7291155.4081193.971电压(V)0.001230.508681.0121.5142.0162.518温度(C)60708090100电阻(Q)1232.4191270.7511308.9681347.0691385.055电压(V)3.0143.5154.0134.5075口口数据图3-1通过描点绘图，确定回归方程模型为一元线性回归方程。设y=b+b*x,N=ll0x=x=(0+10+20+30+40+50+60+70+80+90+100)=50CNtllt=1y=丄y=2.51081VNtt=1-23-lxx总(x,t=1lxy、2-x丿Y-x八-y丿=11000xtt=1t=1llyy=-557.590=28.