熱電阻傳感器課程設(shè)計

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計 2012 年 6 月 25課 程 傳感器課程設(shè)計 題 目 熱電阻測溫系統(tǒng)設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計題目 熱電阻測溫系統(tǒng)設(shè)計專業(yè) 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：熱電阻的特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度最高。此次設(shè)計主要是利用鉑熱電阻的特性設(shè)計測溫系統(tǒng)。常用電橋作熱電阻的測量電路，其中可設(shè)計二線式、三線式、四線式電橋連接測量電路來高精度的測量溫度。同時我們還可以利用 A/D 轉(zhuǎn)換器將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流來實現(xiàn)溫度測量。基本要求基本要求:1、按照實驗原理：以獲得被測量溫度的兩線

2、制鉑熱電阻、一運算放大電路及一調(diào)零電阻；所述兩線制鉑熱電阻包括一正端子、一負端子，所述運算放大電路的輸入端接所述兩線制鉑熱電阻的正端子，所述調(diào)零電阻的一端連接所述兩線制鉑熱電阻的負端子，其另一端接入電路中；該放大器的輸出電壓和熱電阻的電阻變化值成線性關(guān)系。2、掌握傳感器的工作原理、使用和選用方法，能根據(jù)要求選用和使用常用傳感器。主要參考資料：主要參考資料：1 夏路易,石宗義.電路原理圖設(shè)計教程M.北京希望電子出版社，2002.15-18.2 陳杰,黃鴻.傳感器與檢測技術(shù)M.北京:高等教育出版社，2002.30-35.3 張琳娜,劉武發(fā).傳感檢測技術(shù)及應(yīng)用M.北京:中國計量出版社，1999.16

3、-20.4 袁希光.傳感器手冊M.北京:北京國防工業(yè)出版社，1986.16.完成期限 2012.6.252012.6.29 指導(dǎo)教師 專業(yè)負責(zé)人 2012 年 6 月 25 日傳感器課程設(shè)計摘 要熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。 熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度 檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度

4、范圍寬、 加工容易等特點。用于測量-200+500范圍內(nèi)的溫度。溫度測量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，涉及到各行各業(yè)的各個方面，在各種不同的領(lǐng)域中都占有重要的位置。從降低開放成本擴大適用范圍、系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，設(shè)計一種以 Pt100 鉑熱電阻為溫度信號采集元件的傳感器溫度測量系統(tǒng)。才測量系統(tǒng)不但可以測量室內(nèi)的溫度，還可以測量液體等的溫度，在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，電路設(shè)計簡單實用。關(guān)鍵詞：傳感器；Pt100 熱電阻；溫度測量傳感器課程設(shè)計目 錄一 、設(shè)計要求.1二、方案設(shè)計.11、方案一.12、方案二.1三、傳感器工作原理.2四、電路的工作原理.3五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇.3

5、1、單元電路設(shè)計.32、參數(shù)計算.53、器件選擇.54、系統(tǒng)需要的元器件清單.6六、總結(jié).6參考文獻.8傳感器課程設(shè)計0熱電阻測溫系統(tǒng)設(shè)計一 、設(shè)計要求功能要求: 1、利用熱電阻將溫度轉(zhuǎn)化成電壓信號再進過計算得到溫度值；2、利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)溫度測量；3、利用鉑熱電阻作溫度傳感器的電橋和放大電指標(biāo)要求: 1、測溫范圍：-200600 攝氏度；2、測溫精度：0.1 攝氏度；3、 穩(wěn)定性：0.1 攝氏度二、方案設(shè)計1、方案一設(shè)計一個恒流源通過 Pt100 熱電阻，通過檢測 Pt100 上電壓的變化來換算出溫度。此方案由測溫電路，電壓放大電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路及 LCD 顯示電路組成，溫度采集信號調(diào)

6、理轉(zhuǎn)換DA單片機顯示電源圖 1 方案一原理方框圖2、方案二采用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用 Pt100 熱電阻，當(dāng) Pt100 電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。傳感器課程設(shè)計1 溫度鉑熱電阻放大電路穩(wěn)壓電路結(jié)果圖 2 方案二原理圖兩種方案的區(qū)別只在于信號獲取電路的不同，其原理上基本一致。但是，方案一采用單片機實驗電路比較復(fù)雜，測量麻煩，故本次設(shè)計我們采取方案二。三、傳感器工作原理與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度。目前主

7、要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。下面以鉑電阻溫度傳感器為例：Pt100 是電阻式溫度傳感器，測溫的本質(zhì)其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，然后再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即 010ttRtRt （1）式中，Rt 為溫度 t 時的阻值；Rt0 為溫度 t0（通常 t0=0）時對應(yīng)電阻值 為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為： teRtA （2） 式中 Rt 為溫度為 t 時的阻值；A、B 取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更

8、高（通常在數(shù)千歐以上） ，但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有-50300左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200500范圍內(nèi)的溫度測量，其特點是測 量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引傳感器課程設(shè)計2線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響。采用 pt100 測溫一般有三種接線方式：二線制、三線制、四線制。 二線制接法:這種接法不考慮 PT100 電纜的導(dǎo)線電阻，將 A/D 采

9、樣端與電流源的正極輸出端接在一起，這種接法由于沒有考慮測溫電纜的電阻，因此只能適用于測溫距離較近的場合。 三線制接法：這種接法增加了用于 A/D 采樣的補償線，三線制接法消除了連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差，這種接法適用于中等測量距離的場合。 四線制接法：這種接法不僅增加了 A/D 采樣補償線，還加了一條 A/D 對地的補償線，這樣可以進一步的減小測量誤差，可以用于測溫距離較遠的場合。四、電路的工作原理圖 3 橋式測溫電路二線制是用電橋法測量，最后給出的是溫度值與模擬量輸出值的關(guān)系。電流回路和電壓測量回路合二為 1。電路采用 TL431 和電位器 VR1 調(diào)節(jié)產(chǎn)生 4.096的參考電源：采用R1，

10、R2，VR2，PT100 構(gòu)成測量電橋（其中 R1=R2,VR2 為 100 精密電阻），當(dāng)PT100 的電阻值和 VR2 的電阻值不相等時，電橋輸出一個級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放 LM324 放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連 AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中 R3=R4，R5=R6,放大倍數(shù)=R5/R3.運放采用單一 5V 供電。五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇傳感器課程設(shè)計31、單元電路設(shè)計LM324 系列器件為帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流

11、為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖 1 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“+” 、 “-”為兩個信號輸入端， “V+” 、 “V-”為正、負電源端， “Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。圖 4 放大電路LM324 系列器件為帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到

12、 3.0 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖 1 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“+” 、 “-”為兩個信號輸入端， “V+” 、 “V-”為正、負電源端， “Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。當(dāng)去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認為運放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮

13、大(實際上是很大,如 LM324 運放開環(huán)放大倍數(shù)為 100dB，既 10 萬倍)。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+） ，就是低電平（V-或接地） 。當(dāng)正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出低電平。傳感器課程設(shè)計4圖 5 穩(wěn)壓電路TL431 是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管 9013 等相同。2、參數(shù)計算PT100 溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在 0650范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2) （3）在-2000范圍內(nèi)：R

14、t =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) （4）式中 A、B、C 為常數(shù)，A=3.9684710-3；B=-5.84710-7；C=-4.2210-12；由于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+T) （5）其中 =0.00392, Ro 為 100(在 0的電阻值),T 為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為 PT100。3、器件選擇1、電阻 R1 和 R2 的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大?。?、電阻 R5/R3 的比值可改變電壓信號的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計者對溫度傳感器課程設(shè)計5范圍的要求；3、VR2 為滑

15、動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值大小可以改變溫度的零點設(shè)定，例如，PT100 的零點溫度為 0，即 0時電阻為 100，當(dāng)阻值調(diào)節(jié)到109.855 時，溫度的零點就被設(shè)在了 25。測量滑動變阻器的阻值時須在沒有接入電路時調(diào)節(jié)，這是因為接入電路后測量的電阻值發(fā)生了改變；4、運算放大器一個，運放輸出的電壓為輸入壓差信號*放大倍數(shù)，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非由這樣的關(guān)系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為 4.096*（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2)式中電阻值以電路工作時量取的為準(zhǔn)。5、電源 Vcc,電容 C1 和 TL431。它的內(nèi)部含有

16、一個 2.5V 的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在 REF 端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。當(dāng) R1 和 R2 的阻值確定時，兩者對 Vo 的分壓引入反饋，若 V o 增大，反饋量增大，TL431 的分流也就增加，從而又導(dǎo)致 Vo 下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在 VI 等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時 Vo=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的 R1 和 R2 的值可以得到從 2.5V 到 36V 范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)R1=R2 時，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證 TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于 1 mA 。4、系統(tǒng)

17、需要的元器件清單表 1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1PT10012運算放大器LM32413滑動變阻器TL43114滑動變阻器IN473315電容10316電容10417電容ROMH22K8電阻ROMH2100K9電阻ROMH41K六、總結(jié)此次課程設(shè)計使我對于熱電阻測溫系統(tǒng)的設(shè)計電路更加熟悉，知道鉑電阻傳傳感器課程設(shè)計6感器的特性，每一個步驟都貫穿著剛剛學(xué)過的傳感器的內(nèi)容，使我了解到傳感器這門課程的重要性。這個設(shè)計我們經(jīng)歷了大概一周的時間，通過認真嚴謹?shù)脑O(shè)計態(tài)度給我們帶來了成功的喜悅。通過這次傳感器課程設(shè)計，我掌握了設(shè)計一個傳感器電路的方法和基本步驟，實際解決了設(shè)計中出現(xiàn)的問題，

18、增強了尋找問題，解決問題的能力。培養(yǎng)了我們的設(shè)計思維，增加了實際操作能力。此次傳感器課程設(shè)計的成功不僅幫助我們更好的掌握書本知識，尤其重要的是增強了我們的自信，培養(yǎng)了我們獨立思考的能力。這次設(shè)計實習(xí)，使我深刻地理解了實踐的重要性，理論無論多么熟悉，但是缺乏了實踐的理論是行不通的。這一次的實習(xí)，讓我們自己去發(fā)現(xiàn)問題，去想問題，去如何解決這個問題去親手操作，實踐，這個過程使得我覺得自己完成了一次質(zhì)的飛躍。希望在以后的實習(xí)中，我們的實習(xí)工作超出我們的知識能力范圍時，老師能多引導(dǎo)我們，多給我們講述相關(guān)的經(jīng)驗。非常感謝指導(dǎo)老師對我的指導(dǎo)和教誨，希望我們自己也應(yīng)該主動尋求老師的幫助。傳感器課程設(shè)計7參考文獻1 夏路易,石宗義.電路原理圖設(shè)計教程. M.北京望電子出版社,2002.15-18.2 陳杰,黃鴻.傳感器與檢測技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2002.30-35.3 張琳娜,劉武發(fā).傳感檢測技術(shù)及應(yīng)用M.北京:中國計量出版社,1999.16-20.4 李刻杰.傳感技術(shù)M.北京:北京理工大學(xué)出版社,1989.10.5 張福學(xué).傳感器敏感元件大全M.北京:北京電子工業(yè)出版社,1990.18-23.6 袁希光.傳感器手冊M.北