传感器课程设计(基于labview的pt100温度测量系统)

1、目录第一章 方案设计与论证 . 2第一节 传感器的选择 . 2第二节 方案论证 . 3第三节 系统的工作原理 . 3第四节 系统框图 . 4第二章 硬件设计 . 4第一节 PT100传感器特性和测温原理 . . 5第二节 信号调理电路 . 6第三节 恒流源电路的设计 . 6第四节 TL431简介 . 8第三章 软件设计 . 9 第一节 软件的流程图 . 9第二节 部分设计模块 .10总结 .11参考文献 . .11第一章 方案设计与论证第一节 传感器的选择温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类, 前者是让温 度传感器直接与待测物体接触, 而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的

2、距 离, 检测从待测物体放射出的红外线, 达到测温的目的。 在接触式和非接触式两 大类温度传感器中, 相比运用多的是接触式传感器, 非接触式传感器一般在比较 特殊的场合才使用,目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感 器, 其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器, 将温度变化转换为热 电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类, 前者简称热电 阻,后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等,它具有高温度 系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等,常用的热电阻 如 PT100、 PT1000等。近年来各半导体厂商陆

3、续开发了数字式的温度传感器, 如 DALLAS 公司 DS18B20, MAXIM 公司的 MAX6576、 MAX6577, ADI 公司 的 AD7416等,这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单,如 DS18B20该温 度传感器为单总线技术, MAXIM 公司的 2种温度传感器一个为频率输出, 一个 为周期输出,其本质均为数字输出,而 ADI 公司的 AD7416的数字接口则为近 年也比较流行的 I2C 总线, 这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带来 了极大的方便,但 这类器件的 最大缺点是测 温的范围太 窄,一般只有 -55 +125,而且温度的测量精度都不高,好的才 

4、7;0.5 , 一般有 ±2左右,因此在 高精度的场合不太满足用户的需要。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器, 它具有结构简 单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。 常用的热电偶材料有铂铑 -铂、铱铑 -铱、镍铁 -镍铜、铜 -康铜等,各种不同材料 的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、 延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高 低,这种测温方法可避免与高温被测体接触,测温不破坏温度场,测温范围宽, 精度高, 反应速度快, 既可测近距离

5、小目标的温度, 又可测远距离大面积目标的 温度。 目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵, 二是非接触式温度传感器的 输出同样存在非线性的问题, 而且其输出受与被测量物体的距离、 环境温度等多 种其它因素的影响。由于本设计的任务 是要求测量的 范围为 0100,测量的 分辨率为 ±0.1, 综合价格以及后续的电路, 决定采用线性度相对较好的 PT100作为本课 题的温度传感器,具体的型号为 WZP 型铂电阻,该传感器的测温范围从-200+650。具体在 0100的分度特性表见附录 A 所示。第二节 方案论证温度测量的方案有很多种, 可以采用传统的分立式传感器、 模拟集成传感器 以及新

6、兴的智能型传感器。方案一:采用模拟分立元件如电容、 电感或晶体管等非线形元件, 该方案设计电路简单易懂, 操作简单, 且价格便宜,但采用分立元件分散性大,不便于集成数字化,而且测量误差大。 方案二:采用温度传感器通过温度传感器采集温度信号,经信号放大器放大后,送到 A/D转换芯片, 将模拟量转化为数字量,通过 labview 显示。热电阻也是最常用的一种温度传感器。 它的主要特点是测量精度高, 性能稳 定,使用方便,测量范围为 -200650,完全满足要求,考虑到铂电阻的测 量精确度是最高的,所以我们设计最终选择铂电阻 PT100作为传感器。该方案 采用热电阻 PT100做为温度传感器、 AD

7、620作为信号放大器, TLC2543作为 A/D转换部件, 对于温度信号的采集具有大范围、 高精度的特点。 相对与方案一, 在 功能、 性能、 可操作性等方面都有较大的提升。 在这里我选用方案二完成本次设 计。第三节 系统的工作原理测温的模拟电路是把当前 PT100热电阻传感器的电阻值,转换为容易测量 的电压值,经过放大器放大信号后送给 虚拟仪器实验室的 PCI-6251数据采集卡 , 再通 过虚拟仪器把当前的电压值转变成温度第四节 系统框图本设计系统主要包括温度信号采集单元, 数据处理单元, 时间、 温度显示单 元。 其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、 温度信号的获取电路 (采

8、 样 、放大电路。系统的总结构框图所示。 第二章 硬件设计第一节 PT100传感器特性和测温原理电阻式温度传感器 (RTD, Resistance Temperature Detector是指一种物质材料 作成的电阻 , 它会随温度的改变而改变电阻值。PT100温度传感器是一种以铂 (Pt做成的电阻式温度传感器,属于正电阻系 数 ,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示:在 0650范围内:Rt =R0 (1+At+Bt2在 -2000范围内:Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100t3式中 A 、 B 、 C 为常数,A=3.96847×10-3;B=-5.847

9、5;10-7;C=-4.22×10-12;由于它的电阻 温度关系的线性度非常好, 因此在测量较小范围内其电阻和 温度变化的关系式如下:R=Ro(1+T其中 =0.00392, Ro为 100(在 0的电阻值 ,T 为华氏温度,因此铂做成的 电阻式温度传感器,又称为 PT100。PT100温度传感器的测量范围广:-200+650,偏差小,响应时间短, 还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点,其得到了广泛的应用,本 设计即采用 PT100作为温度传感器。主要技术指标:1. 测温范围:-200650摄氏度; 2. 测温精度:0.1摄氏 度;Pt100 是电阻式温度传感器, 测温的本

10、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,然后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 Pt100 测量温度一般有两种方案:方案一:设计一个恒流源通过 Pt100 热电阻,通过检测 Pt100 上电压的变 化来换算出温度。方案二: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 Pt100 热电阻, 当 Pt100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。两种方案的区别只在于信号获取电路的不同,其原理上基本一致。第二节 信号调理电路调理电路的作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中 A/D转换 器能识别

11、的信号, 作为本系统, 由于温度传感器是热电阻 PT100, 因此调理电路 完成的是怎样将与温度有关的电阻信号变换成能被 A/D转换器接受的电压信号。第三节 恒流源电路从上述关于 PT100传感器测温原理可知, 由 PT100构成信号的获取电 路常用的方法有 2种,一种是构成的十分常见的电桥电路,当然,在本系统中, 考虑成本的问题, 一般采用单臂桥; 还有一种是运用恒流源电路, 将恒流源通过 温度传感器, 温度传感器两端的电压即反映温度的变化。 上述两种电路的结构形 式见图 2-1所示。 A 图单臂桥式 B图恒流源式图 2-1 两种信号获取的结构电路硬件电路如图所示6 图 2-2 硬件电路图

12、7输出电流 1.0-100毫安。全温度范 围内温度特性平坦,典型值为 50ppm ,低输出电 压噪声。封装:TO-92,PDIP-8,Micro-8, SOIC-8,SOT-23最大输入 电压为 37V最大工作 电流 150mA输出电压 范围为 2.536V替换型号及应 用领域 :ZTL431AH6TAZTL431ASE5TAZTL431BH6TAZTL431BZTAZTL431BCSTZZTL431BE5TAUTCTL431LZTL431BFFTA应用领域 :电平值转换内部结构 图 cTL431的具体功能可以用图 c 的功能模块示意。 由图可以看到, VI 是一个内部的 2.5V 的基准源,

13、接 在运放的反向输入端。由运放的 特性可知,只有当 REF 端(同向端 的电压非常接近 VI (2.5V 时,三极管中 才会有一个稳定的非饱和电流 通过,而且 随着 REF 端电压的微小变 化,通过三极管图 1的电流将从 1到 100mA 变化。当然, 该图绝不是 TL431的实际内部结构,但可 用于分析理解电路。8第三章 软件设计软件设计部分在 labview 上完成,前面板如图所示,对温度进行实时采集 图 3-1 采集显示前面板Vi 子程序部分9 图 3-2 Vi程序结 论本温度测量系统设计,是采用 PT100温度传感器经过放大和 A/D转换器送 到单片机进行控制温度显示和时间显示。 另外

14、本系统还可以通过外接电路扩展实 现温度报警功能,从而更好的实现温度现场的实时控制。经过多次的修改和调试测量, 本设计基本符合设计要求, 由于受人为因素和 软硬件的限制, 系统难免不了带来一些误差, 但通过调节和精确计算可以减小误 差。通过本次温度测量系统的设计,我对温度测量控制有了进一步的熟悉和更深 入的学习。在整个设计的过程中,本设计的重点和难点是:怎样将 PT100热电 阻的非电量信号转换为能识别的电量信号, 其中的信号如何放大及放大倍数的确 定等等。10这次毕业设计从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，再有 就是近来的调试和测试过程， 这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提 升。在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持 沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实