傳感器課程設(shè)計報告基于labview的pt100溫度測量系統(tǒng)

1、-PAGE . z.目錄HYPERLINK l _Toc230016978第一章 方案設(shè)計與論證2HYPERLINK l _Toc230016979第一節(jié) 傳感器的選擇2HYPERLINK l _Toc230016980第二節(jié) 方案論證3HYPERLINK l _Toc230016981第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理3HYPERLINK l _Toc230016982第四節(jié) 系統(tǒng)框圖4HYPERLINK l _Toc230016983第二章 硬件設(shè)計4HYPERLINK l _Toc230016984第一節(jié) PT100傳感器特性和測溫原理5HYPERLINK l _Toc230016985第二節(jié) 信號

2、調(diào)理電路6HYPERLINK l _Toc230016986第三節(jié) 恒流源電路的設(shè)計6HYPERLINK l _Toc230016987第四節(jié)TL431簡介8HYPERLINK l _Toc230016992第三章 軟件設(shè)計9HYPERLINK l _Toc230016995第一節(jié) 軟件的流程圖9HYPERLINK l _Toc230016996第二節(jié) 局部設(shè)計模塊10HYPERLINK l _Toc230017004總結(jié)11HYPERLINK l _Toc230017004參考文獻(xiàn)11第一章 方案設(shè)計與論證第一節(jié) 傳感器的選擇溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫

3、度傳感器直接與待測物體接觸，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，到達(dá)測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比運用多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比擬特殊的場合才使用，目前得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電式傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。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，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。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、Pt

4、1000等。近年來各半導(dǎo)體廠商陸續(xù)開發(fā)了數(shù)字式的溫度傳感器，如DALLAS公司DS18B20，MA*IM公司的MA*6576、MA*6577，ADI公司的AD7416等，這些芯片的顯著優(yōu)點是與單片機(jī)的接口簡單，如DS18B20該溫度傳感器為單總線技術(shù)，MA*IM公司的2種溫度傳感器一個為頻率輸出，一個為周期輸出，其本質(zhì)均為數(shù)字輸出，而ADI公司的AD7416的數(shù)字接口則為近年也比擬流行的I2C總線，這些本身都帶數(shù)字接口的溫度傳感器芯片給用戶帶來了極大的方便，但這類器件的最大缺點是測溫的圍太窄，一般只有-55+125，而且溫度的測量精度都不高，好的才0.5,一般有2左右，因此在高精度的場合不太滿

5、足用戶的需要。熱電偶是目前接觸式測溫中應(yīng)用也十分廣泛的熱電式傳感器，它具有構(gòu)造簡單、制造方便、測溫圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點。常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測溫圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自于分度誤差、延伸導(dǎo)線誤差、動態(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物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的上下，這種測溫方法可防止與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫圍寬，精度高，反響速度快，既可測近距離小目標(biāo)的溫度，又可測遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。目前運用受限的主要原因一是價格相對較貴，二是非接觸式溫度傳

6、感器的輸出同樣存在非線性的問題，而且其輸出受與被測量物體的距離、環(huán)境溫度等多種其它因素的影響。由于本設(shè)計的任務(wù)是要求測量的圍為0100，測量的分辨率為0.1，綜合價格以及后續(xù)的電路，決定采用線性度相對較好的PT100作為本課題的溫度傳感器，具體的型號為WZP型鉑電阻，該傳感器的測溫圍從200650。具體在0100的分度特性表見附錄A所示。第二節(jié) 方案論證溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及新興的智能型傳感器。 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計電路簡單易懂，操作簡單，且價格廉價，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且

7、測量誤差大。 方案二：采用溫度傳感器 通過溫度傳感器采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過labview顯示。 熱電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測量圍為-200650，完全滿足要求，考慮到鉑電阻的測量準(zhǔn)確度是最高的，所以我們設(shè)計最終選擇鉑電阻PT100作為傳感器。該方案采用熱電阻PT100做為溫度傳感器、AD620作為信號放大器，TLC2543作為A/D轉(zhuǎn)換部件，對于溫度信號的采集具有大圍、高精度的特點。相對與方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。在這里我選用方案二完本錢次設(shè)計。第三節(jié) 系統(tǒng)

8、的工作原理測溫的模擬電路是把當(dāng)前PT100熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓值，經(jīng)過放大器放大信號后送給虛擬儀器實驗室的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡,再通過虛擬儀器把當(dāng)前的電壓值轉(zhuǎn)變成溫度第四節(jié) 系統(tǒng)框圖本設(shè)計系統(tǒng)主要包括溫度信號采集單元，數(shù)據(jù)處理單元，時間、溫度顯示單元。其中溫度信號的數(shù)據(jù)采集單元局部包括溫度傳感器、溫度信號的獲取電路采樣、放大電路。系統(tǒng)的總構(gòu)造框圖所示。第二章 硬件設(shè)計第一節(jié) PT100傳感器特性和測溫原理電阻式溫度傳感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻,它會隨溫度的改變而改變電阻值。PT100溫度

9、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圍：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-2000圍：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)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，因此在測量較小圍其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+T) 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。PT100溫度傳感器的測量圍廣：-200+650，偏

10、差小，響應(yīng)時間短，還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計即采用PT100作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)：1. 測溫圍：-200650攝氏度；2. 測溫精度：0.1攝氏度；3. 穩(wěn)定性：0.1攝氏度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。采用Pt100 測量溫度一般有兩種方案：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。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Pt1

11、00 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。兩種方案的區(qū)別只在于信號獲取電路的不同，其原理上根本一致。第二節(jié) 信號調(diào)理電路調(diào)理電路的作用是將來自于現(xiàn)場傳感器的信號變換成前向通道中A/D轉(zhuǎn)換器能識別的信號，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻PT100，因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器承受的電壓信號。第三節(jié) 恒流源電路從上述關(guān)于PT100傳感器測溫原理可知，由PT100構(gòu)成信號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，考慮本錢的問題，一般采用單臂橋；還有一種是運用恒流源電路，將恒流源通過

12、溫度傳感器，溫度傳感器兩端的電壓即反映溫度的變化。上述兩種電路的構(gòu)造形式見圖2-1所示。A圖單臂橋式 B圖恒流源式圖2-1 兩種信號獲取的構(gòu)造電路硬件電路如下圖圖2-2 硬件電路圖 HYPERLINK baike.baidu./albums/2606300/2606300.html l 0$d041a4a149495eac471064a4 o 查看圖片 t _blank 第四節(jié) TL431主要參數(shù)簡介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等一樣，如圖a所示。同類產(chǎn)品還有圖b所示的雙直插外形的。三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源 可編程

13、輸出電壓:2.5V36V 電壓參考誤差：0.4% ，典型值25TL431B 低動態(tài)輸出阻抗:0.22(典型值) 等效全圍溫度系數(shù)：50 ppm/典型值 溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度圍穩(wěn)壓值送從2.5-36V連續(xù)可調(diào)， 參考電壓原誤差+-1.0%， 低動態(tài)輸出電阻， 典型值為0.22歐姆， 輸出電流1.0-100毫安。 全溫度圍溫度特性平坦， 典型值為50ppm， 低輸出電壓噪聲。 封裝：TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23 最大輸入電壓為37V 最大工作電流150mA 基準(zhǔn)電壓為2.5V 輸出電壓圍為2.536V 替換型號及應(yīng)用領(lǐng)域:ZTL431AH6TA ZTL

14、431ASE5TA ZTL431BH6TA ZTL431BZTA ZTL431BCSTZ ZTL431BE5TA UTCTL431L ZTL431BFFTA 應(yīng)用領(lǐng)域:： 電平值轉(zhuǎn)換 部構(gòu)造 HYPERLINK baike.baidu./albums/2606300/2606300.html l 0$aa251d4fcdaadb11afc3aba7 o 查看圖片 t _blank 圖cTL431的具體功能可以用圖c的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個部的2.5V的基準(zhǔn)源，接在運放的反向輸入端。由運放的特性可知，只有當(dāng)REF端同向端的電壓非常接近VI2.5V時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和

15、電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管圖1的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實際部構(gòu)造，但可用于分析理解電路。 軟件設(shè)計軟件設(shè)計局部在labview上完成，前面板如下圖，對溫度進(jìn)展實時采集圖3-1 采集顯示前面板Vi子程序局部圖3-2 Vi程序結(jié) 論 本溫度測量系統(tǒng)設(shè)計，是采用PT100溫度傳感器經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī)進(jìn)展控制溫度顯示和時間顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴(kuò)展實現(xiàn)溫度報警功能，從而更好的實現(xiàn)溫度現(xiàn)場的實時控制。經(jīng)過屢次的修改和調(diào)試測量，本設(shè)計根本符合設(shè)計要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差，但通過調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確計算可以減小誤差。 通過本次溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，我對溫度測量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個設(shè)計的過程中，本設(shè)計的重點和難點是：怎樣將PT100熱電阻的非電量信號轉(zhuǎn)換為能識別的電量信號，其中的信號如何放大及放大倍數(shù)確實定等等。 這次畢業(yè)設(shè)計從一開場的課題確定，到后來的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來的調(diào)試和測試過程，這一切都使我的理論知識和動手能力進(jìn)一步得到提升。在畫原理圖、電路仿真