课程设计（论文）-基于铂电阻的温度测量调理电路设计

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：基于铂电阻的温度测量调理电路设计学院（系）：电气工程学院年级专业： 09 级检测 1 班学 号： 3学生姓名： 指导教师： 教师职称： 讲 师 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 2 页 共 18 页燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号 3 学生姓名 黄海超 专业（班级） 09 检测一班设计题目 基于铂电阻的温度测量调理电路设计设计技术参数采用 Pt1000 作为温度敏感元件和电桥电路，当温度在-10 到 300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为 0-2.5V。设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；3：完成电路的 multisim 仿真；工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果） ；2：提交一份电路原理图；工作计划周一上午到周二上午，教室内做理论设计；周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做 multisim 仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；周五下午，教室内整理设计材料、准备撰写设计说明书参考资料1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；3：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字 温江涛 基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2012 年 6 月 28 日燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 3 页 共 18 页目 录前言41 方案简介与论证51.1 设计简介51.2 热电阻传感器介绍 51.3 总体设计内容 62 温度测量调理电路设计72.1 PT1000 传感器温度-阻值特性72.2 测量电路82.3 放大电路 102.4 系统原理图 123 仿真结果 13总结 15参考文献 16燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 4 页 共 18 页前言：温度是过程检测与控制中的重要参量,在要求对温度进行精确测量和控制的条件下,铂热电阻是一种应用广泛的温度传感器,它具有体积小、准确度高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点。 本文根据铂电阻( Pt1000) 温度与电阻值对照表,提出了一种在-10300 范围内利用四臂电桥测量电阻变化从而测温的方案,并对电路原理及效果进行理论分析和计算机模拟仿。本次课设设计出了一个较完整的温度调理电路，通过仿真调试，当温度在-10 到300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为 02.5V。本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量系统，如果稍微改装可以做热水 器温度调节系统、生产温度监控系统等等。实际应用的意义较大。燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 5 页 共 18 页1 方案简介与论证1.1 设计简介本次课程设计题目是基于铂电阻的温度测量调理电路设计，要求采用 Pt1000 作为温度敏感元件和电桥电路，当温度在-10 到 300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为 0-2.5V。根据课程设计的要求，采用 Pt1000 作为温度敏感元件，作为输入部件接受温度变化变输出电阻变化。采用采用单臂直流电桥电路作为转换电路，以仪用放大器 AD620 作为中心原件组成放大电路，当温度在-10 到 300 摄氏度变化时，调节放大倍数和输出偏置，使输出信号的幅值为 0-2.5V。电路仿真中，以滑动变阻器模拟温度敏感元件 Pt1000 的电阻输出，实现电路仿真和调试。1.2 热电阻传感器介绍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。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。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 式（1-1）2301(10)tttRABCt燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 6 页 共 18 页式（1-1）中， 为温度 t 时的阻值； 为温度 t0（通常 t0=0）时对应电阻值；tR0tR 为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 式（1-2）/tAeBt式式（1-2）中 为温度为 t 时的阻值；A、B 取决于半导体材料的结构的常数。 tR热电阻的测温原理与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。1.3 总体设计内容为了实现将温度变化经检测放大后输出调理信号，设计电路分三个部分：1、PT1000 温度传感器2、测量电路3、放大电路其总体设计结构图如下图 1-1 总体设计结构图燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 7 页 共 18 页2 温度测量调理电路设计2.1 PT1000 传感器温度-阻值特性铂电阻具有测温范围大、准确度高、性能稳定、重复性好等特点，是一种比较理想的温度检测元件，在工业上被广泛应用。但铂电阻由于受到自身的误差、电阻测量的系统误差和引线、环境温度等影响，温度测量精度不能达到很高，使用时会受到一定的限制。传统的三线制、四线制及恒流源铂电阻测温法， 其出发点主要是消除引线阻抗的影响，而对测量的系统误差和铂电阻本身的误差考虑较少。另外，对铂电阻测温电路，大多采用非线性校正方法，消除这些误差，以提高整体的测量精度，并减少大量生产时调校的工作量，满足批量生产时调校的可行性与方便性。铂电阻的温度电阻特性：当-200<t<0时，式（2-1.1）2301(10)tRAtBCt当 0<t<850时，式（2-1.2）20()tt式（2-1）中，Rt 为在 t时的电阻值， R0 为在 0时的电阻值。TCR=0.时的系数值为：， ， 。3-1.908oAXC-72B5.1C-1244.830C本设计是利用铂电阻温度-阻值的关系，转换成电压输出进行测量，得出铂电阻组织的变化，进而得出温度变化，铂电阻温度阻值的关系如下表所示：温度（） 电阻值（） 温度（） 电阻值（）-10 960.859 110 1422.925-9 964.779 120 1460.68-8 968.697 130 1498.319-7 972.614 140 1535.843-6 976.529 150 1573.251燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 8 页 共 18 页温度（） 电阻值（） 温度（） 电阻值（）-5 980.444 160 1610.544-4 984.358 170 1647.721-3 988.27 180 1684.783-2 992.181 190 1721.729-1 996.091 200 1758.560 1000 210 1795.27510 1039.025 220 1831.87520 1077.935 230 1868.35930 1116.729 240 1904.72840 1155.408 250 1940.98150 1193.971 260 1977.11960 1232.419 270 2013.14170 1270.751 280 2049.04880 1308.968 290 2084.83990 1347.069 300 2120.515100 1385.055本次课程设计要求为电压输出，按照表 2-1 中的数据，可以将输出的电压值转换成所测量的温度值，即实现了基于铂电阻的温度测量。2.2 测量电路本设计采用直流电桥作为信号测量电路，直流电桥电路结构简单，可以实现微小阻值变化的转换。电桥后边需要接运算放大器，由于运算放大器的输入阻抗很高，比电桥的内阻大很多，因此可以把电桥输出端看成开路，四臂直流电桥的示意图如图 2-2a 所示，其平衡条件为：式（2-2）1234R此时电桥的输出电压为：表 2-1 铂电阻( Pt1000) 温度与电阻值对照表燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 9 页 共 18 页式（2-3）142304()iRU当 ，由式（2-3）得 ；1234R0当模拟 Pt1000 的滑动变阻器有输出 时，如图 2-2b 所示， 此时电桥不再平衡，又因R为 <<R,所以此时电桥的输出为式（2-4）43102413()(i iRUUR由式（2-4）所示，当温度变化时， 发生变化，使得从输出电压发生变化，通过对输出信号的放大测量，即可得出电阻变化，再根据表 2-1 中的铂电阻 Pt1000 温度阻值对照表即可得出所测量的温度。图 a 直流电桥的示意图 图 b 设计中的测量电路图 2-1 测量电路燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 10 页 共 18 页2.3 放大电路经过理论分析和实验验证，选用 100K 的电阻组成全桥电路，当采用正负 15V 电源供电时，输出的电压约为毫伏级别,是非常微弱的电压信号。要想使 AD 能够不失真的转换此信号，需要对该微弱信号进行进一步的处理。本次设计选用 AD620 差动放大器，它的内部结构原理图如图 2-2 所示，它是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，用户只需一个电阻便可实现对增益的精确编程（G=100 时精度可达到 0.15%） 。输入晶体管 Q1 和 Q2 提供一路高精度差分对双极性输入如图 2-5，同时由于采用Supereta。因此输入偏置电流减小十倍。反馈环路 Q1-A1-R1 和 Q2-A2-R2 使输入器件Q1 和 Q2 的集成电极电流保持稳定，从而可将输入电压作用于外部增益设置电阻 RG 上。这样就可以计算从输入至 A1/A2 输出的差分增益。其计算公式为G=(R1+R2)/RG+1 式（2-5）单位增益减法器 A3 用来消除任何共模信号，以获得折合到 RET 引脚电位的单端输出。RG 值还可以决定前置放大器级的燕 山 大 学 课 程