課程設(shè)計(jì)（論文）基于鉑電阻的的溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書燕山大學(xué)題目：基于鉑電阻的的溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 08級(jí)檢測(cè)2班 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 講師 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)（班級(jí)）檢測(cè)技術(shù)與儀器設(shè)計(jì)題目基于鉑電阻的溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)采用pt1000作為溫度敏感元件，當(dāng)溫度在-10到300攝氏度變化時(shí)，輸出信號(hào)的幅值為02.5v。設(shè)計(jì)要求1：完成題目的理論設(shè)計(jì)模型2：完成電路的multisim仿真工作量 1：完成一份設(shè)計(jì)說(shuō)明書（其中包括理論設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果）；

2、2：提交一份電路原理圖工作計(jì)劃周一，查閱資料周二到周四，理論設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真周五，撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書參考資料 1：基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì) 2：模擬電子技術(shù) 3：電路理論 4：數(shù)字電子技術(shù)指導(dǎo)教師簽字 溫江濤基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。2011年 6 月25 日 目 錄前 言.4第一章 方案設(shè)計(jì)與論證.51.1 傳感器.51.2 系統(tǒng)的工作原理.51.3 鉑電阻溫度/阻值性能的簡(jiǎn)要介紹.51.4 基于鉑電阻的溫度傳感器.6第二章 溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì).82.1 pt1000傳感器特性和測(cè)溫原理.82.2 測(cè)量電路 .82.3 恒流

3、源電路.92.4 運(yùn)算放大器電路.92.5 輸出偏置電路 .10第三章 電路仿真. .103.1 multisim仿真軟件介紹 .123.2 電路仿真 . .13第四章 電路原理圖.15第五章 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì).16參考文獻(xiàn)前言 運(yùn)算放大器和各種模擬集成電路是應(yīng)用最為廣泛的一類模擬器件。溫度傳感器充分應(yīng)用這些模擬器件的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為溫度測(cè)量系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水 器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、生產(chǎn)溫度監(jiān)

4、控系統(tǒng)等等。本課題主要任務(wù)是完成鉑電阻環(huán)境溫度檢測(cè)的電路設(shè)計(jì)，當(dāng)溫度在-10到300攝氏度變化時(shí)，輸出信號(hào)的幅值為02.5v。第一章 方案設(shè)計(jì)與論證1.1 傳感器 熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡(jiǎn)稱熱電阻，后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、 物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如 pt100、pt1000 等。熱電偶是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方 便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶材料有鉑 銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-

5、康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測(cè)溫范圍場(chǎng)合。熱電偶的使用誤差主要來(lái)自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動(dòng)態(tài)誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度傳感器主要是被測(cè)物體通過(guò)熱輻射能量來(lái)反映物體溫度的高低，這種測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸，測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，既可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度，又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運(yùn)用受限的主要原因一是價(jià)格相對(duì)較貴，二是非接觸式溫度傳感器的輸出同樣存在非線性的問(wèn)題，而且其輸出受與被測(cè)量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。 由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是要求測(cè)量的范圍為 -10300，采用線性度相對(duì)較好的 pt1000 作為本課題的溫度

6、傳感器，具體的型號(hào)為 wzp 型鉑電阻，該傳感器的測(cè)溫范圍從200650。1.2 系統(tǒng)的工作原理溫度測(cè)量模擬電路是把當(dāng)前 pt1000 熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，即通過(guò)采用pt1000作為溫度敏感元件，經(jīng)過(guò)三線制恒流源電路、運(yùn)算放大電路等環(huán)節(jié)，使當(dāng)溫度在-10到300攝氏度變化時(shí)，輸出信號(hào)的幅值為02.5v。1.3鉑電阻溫度/阻值性能的簡(jiǎn)要介紹鉑電阻具有測(cè)溫范圍大、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好等特點(diǎn)，是一種比較理想的溫度檢測(cè)元件，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。但鉑電阻由于受到自身的誤差、電阻測(cè)量的系統(tǒng)誤差和引線、環(huán)境溫度等影響，溫度測(cè)量精度不能達(dá)到很高，使用時(shí)會(huì)受到一定的限制。傳統(tǒng)的

7、三線制、四線制及恒流源鉑電阻測(cè)溫法， 其出發(fā)點(diǎn)主要是消除引線阻抗的影響，而對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)誤差和鉑電阻本身的誤差考慮較少。另外，對(duì)鉑電阻測(cè)溫電路，大多采用非線性校正方法，消除這些誤差，以提高整體的測(cè)量精度，并減少大量生產(chǎn)時(shí)調(diào)校的工作量，滿足批量生產(chǎn)時(shí)調(diào)校的可行性與方便性。鉑電阻的溫度電阻特性：當(dāng)-200t0時(shí)，rt=r01+at+bt2 +c(t-100)t3 ;當(dāng)0t850時(shí)，rt=r0（1+at+bt2）。rt為在t時(shí)的電阻值，r0為在0時(shí)的電阻值。tcr=0.003851時(shí)的系數(shù)值為：a=3.908310-3-1，b=-5.77510-7-2，c=-4.18310-12-4。1.4 基于鉑電

8、阻的溫度傳感器設(shè)計(jì) 溫度是過(guò)程檢測(cè)與控制中的重要參量,在要求對(duì)溫度進(jìn)行精確測(cè)量和控制的條件下,鉑熱電阻是一種應(yīng)用廣泛的溫度傳感器,它具有體積小、準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍寬、穩(wěn)定性好、正的溫度系數(shù)等特點(diǎn),但它同時(shí)也存在非線性的缺點(diǎn),因此在利用鉑熱電阻進(jìn)行精確溫度測(cè)量時(shí),除要克服測(cè)量電路自身的噪聲干擾外,還要對(duì)鉑熱電阻的非線性進(jìn)行矯正. 本文根據(jù)鉑電阻( pt1000) 國(guó)際分度表函數(shù)的非線性特點(diǎn),提出了一種在 0650 范圍內(nèi)補(bǔ)償其非線性的方法,設(shè)計(jì)了專用的非線性補(bǔ)償電路,在對(duì)電路補(bǔ)償原理及效果進(jìn)行理論分析和計(jì)算機(jī)模擬仿真的基礎(chǔ)上,實(shí)際制作了該非線性補(bǔ)償電路,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試. 鉑電阻 pt1000的

9、非線性補(bǔ)償電路見下圖：圖為非平衡電橋非線性矯正方法。非平衡電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性好，廣泛的應(yīng)用于測(cè)溫，測(cè)壓等電路中。但常用的恒壓源非平衡電橋的輸出電壓u 與鉑電阻r 存在非線性問(wèn)題。圖2為恒壓源非平衡電橋原理圖，r1 、r2 、r為精密橋臂電阻；感溫元件鉑電阻rt 其阻值隨環(huán)境溫度t而變化當(dāng)電源輸出電壓e一定時(shí)，非平衡電橋輸出電壓為：顯然， u與 rt是非線性關(guān)系。產(chǎn)生非線性的原因是rt 隨著溫度變化時(shí)，流過(guò)rt 的電流，也發(fā)生了變化。如果在非平衡電橋rt 的一臂加恒流源就可以解決非平衡橋帶來(lái)的非線性問(wèn)題。第二章 溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì)2.1 pt1000 傳感器特性和測(cè)溫原理電阻式溫度傳感器(r

10、td, resistance temperature detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻, 它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。pt1000 溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-200+650，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振 動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用 pt1000 作為 溫度傳感器。 主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測(cè)溫范圍：-200650 攝氏度；2. 測(cè)溫精度：0.1 攝氏度； 3. 穩(wěn)定性：0.1 攝氏度 pt1000 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器

11、換算出相 應(yīng)溫度。采用 pt1000 測(cè)量溫度一般有兩種方案： 方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò) pt1000 熱電阻，通過(guò)檢測(cè) pt1000 上電壓的變化來(lái)?yè)Q算出溫度。方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用 pt1000 熱電阻， 當(dāng) pt1000 電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。 兩種方案的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上基本一致。2.2 測(cè)量電路 測(cè)量3 4端的電壓差值，然后進(jìn)行后續(xù)的放大即可，電路圖中,下方為一howland電流泵用作恒流源，上方橋路中加入一電壓跟隨器，節(jié)點(diǎn)5和10分別為輸出，輸入端，以保證兩點(diǎn)電壓相等。計(jì)算得輸出u=0

12、.5ir。 i為恒流源的電流值。由上式可知輸出電壓u與r成線性關(guān)系，克服了非平衡電橋的輸出電壓與鉑電阻的非線性。同時(shí)u與引線電阻r無(wú)關(guān)。因此只要兩半橋所使用的導(dǎo)線的材料，長(zhǎng)度，截面積相同，就可以消除溫漂及引線電阻對(duì)電橋輸出電壓的影響。2.3 恒流源電路從上述關(guān)于 pt1000 傳感器測(cè)溫原理可知，由 pt1000 構(gòu)成信號(hào)的獲取電路常用的方法有2種，一種是構(gòu)成的十分常見的電橋電路，當(dāng)然，在本系統(tǒng)中，如若考慮成本的問(wèn)題，一般采用單臂橋；還有一種是運(yùn)用恒流源電路，將恒流源通過(guò)溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。上述兩種電路的結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。a 圖單臂橋式： b 圖恒流源式： 在本

13、次設(shè)計(jì)中我們首先考慮到可以利用圖a，為解決其非線性問(wèn)題激勵(lì)源我們可以改變?yōu)楹懔髟?，前面已?jīng)敘述怎樣解決非線性以及導(dǎo)線電阻等問(wèn)題，恒流源采用howland電流泵。如圖所示： 恒流源輸出為 根據(jù)本次課設(shè)任務(wù)要求，當(dāng)pt1000的溫度在-10到300變化時(shí)，其阻值變化范圍為：960.859歐姆到2120.515歐姆（參見附錄a），流過(guò)pt1000電流為0.416ma.2.4運(yùn)算放大器電路輸出結(jié)果為：2.5輸出偏置電路 根據(jù)題設(shè)要求設(shè)計(jì)輸出為，我們采用電阻鏈分壓的方式，可以獲得正負(fù)對(duì)稱的。第3章 仿真電路3.1 仿真軟件介紹 multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（ni）有限公司推出的以windows為基礎(chǔ)的

14、仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。3.2 電路仿真 電路圖如下：?jiǎn)?dòng) multisim 軟件，按本次設(shè)計(jì)的原理圖畫出電路仿真圖，根據(jù)元件屬性設(shè)置相應(yīng)元件參數(shù)。由于 pt1000 溫度傳感器在仿真過(guò)程中波動(dòng)較大，使得顯示的溫度跳躍變化，不易于溫度 顯示與測(cè)量。因此在本次仿真中用一個(gè)可變電阻來(lái)代替 pt1000 熱電阻,通過(guò)改變電阻阻值來(lái)反映 pt1000 溫度測(cè)量。仿真結(jié)果為：溫度電阻值電壓值-10960.859 -299.972uv-9964.779 8.18mv-8968.697 16.655mv

15、-7972.614 25.129mv-6976.529 33.598mv-5980.444 42.067mv-4984.358 50.533mv-3988.270 58.996mv-2992.181 67.456mv-1996.091 75.915mv01000.000 84.371mv101039.025 168.779mv201077.935 252.95mv301116.729 336.883mv401155.408 420.556mv501193.971 503.969mv601232.419 587.144mv701270.751 670.06mv801308.968 752.738

16、mv901347.069 835.156mv1001385.055 917.314mv1101422.925 999.235mv1201460.680 1.081v1301498.319 1.612v1401535.843 1.244v1501573.251 1.324v1601610.544 1.405v1701647.721 1.486v1801684.783 1.566v1901721.729 1.646v2001758.560 1.725v2101795.275 1.805v2201831.875 1.884v2301868.359 1.963v2401904.728 2.041v25

17、01940.981 2.12v2601977.119 2.198v2702013.141 2.276v2802049.048 2.354v2902084.839 2.431v3002120.515 2.508v電阻溫度關(guān)系圖電壓溫度關(guān)系圖 第四章 電路原理圖 第五章 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) 本鉑電阻溫度測(cè)量調(diào)理電路設(shè)計(jì)， 是采用 pt1000 溫度傳感器經(jīng)過(guò)恒流源輸入、三級(jí)運(yùn)算放大和輸出偏置等環(huán)節(jié)的完成，將任務(wù)要求的輸出幅值在電壓表顯示。經(jīng)過(guò)多次的修改和調(diào)試測(cè)量，本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求，由于受到各種因素影響，系統(tǒng)難免不了帶來(lái)一些誤差，但通過(guò)調(diào)節(jié)和精確計(jì)算可以減小誤差。 通過(guò)本次溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，

18、我對(duì)溫度測(cè)量調(diào)理電路有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。 在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：怎樣利用pt1000 的熱電阻特性對(duì)溫度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)、恒流源線性輸出的優(yōu)越性以及輸出偏置對(duì)非要求量的中和、信號(hào)如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。 這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)一周，從一開始的課題確定，到后來(lái)的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來(lái)的調(diào)試和測(cè)試過(guò)程，這一切都使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到提升。在畫原理圖、電路仿真和調(diào)試過(guò)程中不可避免地遇到各種問(wèn)題，這要求保持沉著冷靜，聯(lián)系書本理論知識(shí)積極地思考。雖然在制作過(guò)程中不可避免地遇到很多問(wèn)題，但是最后還是在老師以及同學(xué)的幫助下圓滿解決了這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與最后調(diào)試，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，很好地完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我了解并掌握了傳感器的基本理論知識(shí)，更深入的掌握測(cè)控電路設(shè)計(jì)的原理及應(yīng)用，為以后從事單片機(jī)軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、打下了良好的基礎(chǔ)，樹立獨(dú)立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心，并在這種能力上得到了比較充分的鍛煉。參考文獻(xiàn)1 塞爾吉?dú)W佛朗哥著.劉樹棠 朱茂林 榮玫譯.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)，西安交通大學(xué)出版社，2009年3版2 康華光.模擬電子技術(shù)，高等教育出版社，2005年5版3 邱