铂电阻温度测量系统设计

哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告

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

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2013年12月27日

目录

第1章 总体方案与精度设计 . ......................................... 错误！未定义书签。

1.1 不同方案分析与比对 . ............................................ 错误！未定义书签。

1.2 传感器设计 . ............................................................ 错误！未定义书签。

第2章 总体方案设计 . ..................................................... 错误！未定义书签。

2.1 方案一 . .................................................................... 错误！未定义书签。

2.2 方案二 . .................................................................... 错误！未定义书签。

2.3 方案三 . .................................................................... 错误！未定义书签。

2.4 方案分析对比 . ........................................................ 错误！未定义书签。

2.5 小结 . ........................................................................................................ 15

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 . ............................................................ 错误！未定义书签。

3.2 转换电路设计 . ........................................................ 错误！未定义书签。

3.3 传感器总体分析 . .................................................... 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。

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：Pt100 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。

以78E51 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Pt100 热电阻，温度变化引起Pt100 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MAX1270。

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Pt1000(Ro=1 000 Ω)是以温度系数TCR=0．003 851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A ／D 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，A ／D 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

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A ／D 转换器共用参考基准，这样根据A ／D 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1768℃，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100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）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=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）为统一设计型铂电阻。TCR=(R100-R0)/ (R0×100) 其中

传感器结构图

接线方式又可分为：两线制、三线制和四线制，详细如下。

两线制：传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。

三线制：要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的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和 PT4两条引线属于恒流源动力引线，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

-200

] 0

Rt 在t ℃时的电阻值

R0 在0℃时的电阻值

TCR=0.003851时的系数值

1.3 精度设计

总精度等级为1级，最大示值误差为1℃，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：0~100℃

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，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到100摄氏度变化时，输出信号的幅值为0—5V 。

（一）传感器电路设计总体框图

（二）调制电路

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5.1K Ω，接方波处的电阻为2.2K Ω，放大器处的反馈电阻为10.2K Ω。

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：

（三）方波电路

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*R1*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R1，R2，R3的阻值和C 的容值，可以改变振荡频率；调节R1，R2的阻值可以改变方波的幅值。

⎛2R 4⎫矩形波的振荡周期为：T =2R 1C 4ln 1+R ⎪⎪

3⎭⎝

调整电阻R 1, R 3, R 4和电容C 4的数值可以矩形波的振荡周期。本电路震荡频率为5000Hz 。 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

（六）直流电桥

Pt100可将温度的变化转换为电阻的变化，由于应变量和电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，采用直流电桥电路把电阻变化转换成电压变化。。

直流电桥的优点是：高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡简单，导线的分布参数影响小。

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。

（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。

U i 1-U o 1U i 2-U i 1U o 2-U i 2

计算推导U i 1=i 1⋅R 2, U i 2=i 2⋅R 4i 3= ==

R 5R 6R 7

⎛R 5⎫R U O 1= 1+⎪. U i 1-5. U i 2

R 6⎝R 6⎭

⎛R ⎫R

U O 2= 1+7⎪. U I 2-7. U i 1

R 6⎝R 6⎭

⎛R 11⎫⎛R 10⎫R 10

⎪ ⎪U o 3= ⋅1+⋅U - R +R ⎪ ⎪o2R U o 1

R 11⎭⎝8⎭8⎝9

2.2 电路仿真

方波电路总仿真图

⎛R ⎫R U O 1= 1+5⎪. U i 1-5. U i 2

R 6⎝R 6⎭U O 2

⎛R 7⎫R

= 1+⎪. U I 2-7. U i 1

R 6⎝R 6⎭

利用仿真软件对发生方波的电路图进行仿真，调节仿真电路，对精度的分配，误差的分析提供有效的途径。通过仿真图焊接实物，减少错误

测温电路PCB 图

PCB 图

2.3 电路焊接与调试

焊接实物图 （1）方波电路

（2）测温电路

示波器波形图：

方波波形：

解调波形：

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、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。

第3章 系统标定与测量

3.1 系统标定

外界温度为0℃时，电阻值为1000Ω, 电压值为0.00123V ；外界温度为100℃时，电阻值为1385.055Ω，电压值为5V 。

3.2 实际测量实验

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 0+b *x ,N=11

1N 1

x =∑x t =(0+10+20+30+40+50+60+70+80+90+100)=50℃

N t =111_

1N

y =∑y t =2. 51081V

N t =1

_

^

N

l ⎛x _

⎫

xx =∑ t -x ⎪=11000

t =1⎝

⎭N l ⎛_ x ⎫⎛_

⎫

xy =∑t -x ⎪ y t -y ⎪=-557. t =1⎝⎭⎝⎭590

N

2

l ⎛_

y ⎫

yy =∑t -y ⎪=28t =1⎝

⎭. 343

b =l xy l =-0. 051

xx

b __

0=y -b x =0. 18

∴y ^

=b 0+b *x =-0. 051x +0. 18

残差：

v 1=y 1-(b *x 1+b 0)=-0. 18

v 2=y 2-(b *x 2+b 0)=0. 043v 3=y 3-(b *x 3+b 0)=0. 048v 4=y 4-(b *x 4+b 0)=0. 025v 5=y 5-(b *x 5+b 0)=0. 056v 6=y 6-(b *x 6+b 0)=0. 007v 7=y 7-(b *x 7+b

0)=0. 011v 8=y 8-(b *x 8+b 0)=0. 015v 9=y 9-(b *x 9+b 0)=0. 015v 10=y 10-(b *x 10+b 0)=0. 045v 11=y 11-(b *x 11+b 0)=0. 103

⎡v ⎢1⎤⎡y 1⎤⎢v 2⎥⎢⎥⎡1⎢⎥⎢y 2⎥⎢1⎢v 3⎥⎢y ⎥⎢3⎢v ⎥⎢⎢14y ⎥⎢⎢v ⎥⎢4⎢y ⎥15⎥⎢5V =⎢⎥⎢v ⎥ ， Y =⎢⎢y ⎥⎢⎢16⎢⎥ y 6⎥ ，A =⎢⎢v ⎢7⎥17⎥⎢v ⎥⎢y ⎢18⎥⎢8⎢⎥⎢⎥⎢1⎢v 9⎥⎢y 9⎥⎢⎢v ⎥⎢y 10⎥1⎢10⎥⎢⎥⎢1⎣v 11⎥⎦⎢y 11⎢⎥⎢⎣⎥⎦

⎢⎣1正规方程为：()

A T *A B =A T Y

x 1⎤x 2⎥x ⎥3⎥x ⎥4x ⎥5⎥x ⎥

6⎥ ，x 7⎥x ⎥8⎥x 9⎥

x ⎥

10⎥x 11⎥⎦B =⎡b ⎢0⎤⎣b ⎥⎦

⎤⎡A T =⎢⎥ [***********]0100⎣⎦

550⎤⎡11T

C =A A =⎢⎥

⎣55038500⎦

550⎤⎡b 0⎤⎡11b 0+550b ⎤⎡11

CB =(A T A ) B =⎢=⎢ ⎥⎥⎢⎥

⎣55038500⎦⎣b ⎦⎣550b 0+38500b ⎦

-1(T )-1

⎡38500-550⎤⎡0. 318-0. 005⎤

1

C =A A =

11550⎢⎣-55011⎥⎦=⎢⎣-0. 005550A T

Y =⎡-26. 091⎢⎤⎣-1862

. 14⎥⎦ B =(A T A )-1AY =⎡1. 014⎢⎤

⎣-0. 056⎥

⎦

σ=

v 2n -t

=0. 077

σb 0

=σd 11=0. 043 σb =σd 22=0. 00077

b ^

0=b 0±3σb 0=0. 18±0. 129 （P=99.73%）

b =b ^

±3σb =-0. 051±0. 00231 （P=99.73%）

回归方程显著性检验

F =v bl xy Q N -2=l =2843. 7

yy -bl xy N -2F 0. 05

3.3 小结

0. 001⎥⎦