铂电阻传感器测量电路设计报告(共26页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题 目： 基于铂电阻传感器测量电路设计 课 程： 传感器与测控电路课程实习 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控0802 姓 名： 学 号： 专心-专注-专业总 目 录第一部分：任务书 第二部分：课程设计报告第三部分：设计电路图第 一 部 分任务书传感器与测控电路课程实习课程设计任务书课题：基于铂电阻传感器测量电路设计一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产

2、品的设计、制作来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的传感器原理及应用，测控电路，模拟电子技术基础实验与课程设计，电子技术实验等书的有关章节。一、基于铂电阻传感器测量电路设计简介应用集成运放和WZB(BA2)型铂电阻设计测温电路，测温范围为0500。0时，WZB型铂电阻的阻值R0为100。要求测温电路具有温度补偿功能，测温误差5%。二、基于铂电阻传感器测量电路设计的工作原理本课题中测量电路组成框图如下所示：测量电路由基准电压电路，铂电阻温度传感器构成的转换电路，反相加法器等主电路组成；为了实现温度补偿和

3、非线性补偿功能，在铂电阻温度传感器构成的转换电路输出端取样，经过反相放大器，输入转换电路，同时在基准电压的输出端取样电路2采样信号输入反相加法器。实现补偿功能。三、设计目的1、掌握传感器选择的一般设计方法；2、掌握模拟IC器件的应用；3、掌握测量电路的设计方法；4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力。四、设计要求及技术指标1、设计、组装、调试； 2、温度测量范围：0500；3、测量温度误差5； 4、输出电压：05V；5、非线性误差：0.5；6、具有温度补偿功能；五、设计所用仪器及器件1直流稳压电源2双踪示波器3万用表4运放OP075电阻、电容若干6温度传感器Pt1007万能电路板8电烙铁等六

4、、日程安排1布置任务、查阅资料，方案设计；（2天）根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出电路图。2上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试； （2天）要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。3电路的装配及调试；（3天）在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。4总结撰写课程设计报告。 （1天）七、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1课程设计的目和设计的任务2课程设计的要求及技术指标3总方案的确定并画出原理框图。4各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性(结合设计图写) 5总原

5、理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。6电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。7实验结果分析，改进意见及收获。8体会。八、电子电路设计的一般方法：1仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。（1）设计总体方案。（2）设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案（3）计算电路（元件）参数。（4）绘制总体电路初稿（5）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。（6）绘制总体电路。2明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在EDB（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件

6、，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。3掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。4、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5、独立撰写课程设计报告。第 二 部 分课程设计报告目 录一、课题简介（1）1关于温度测量（1）2 铂电阻测温原理简介（1）二、设计要求及技术指标（2）1设

7、计的目的和设计的任务（2）1.1 课程设计的目的（2）1.2 课程设计的任务（2）2 课程设计的要求及技术指标（3）2.1 课程设计的要求（3）2.2 课程设计的技术指标（3）3 总方案及原理框图（4）3.1 设计总方案（4）3.2 原理框图（4）4 电路各组成部分的工作原理（5）4.1 稳压电路的工作原理（5）4.2 Pt温度传感器反向放大电路的工作原理（5）4.3取样电路1和反向放大器电路的工作原理（5）4.4取样电路2的工作原理（6）4.5 反向加法器的工作原理（6）4.6总电路图（7）5 电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用（8）5.1电路的设计（8）5.2电路的参数计算（8）5

8、.3电路各部分工作特性及元件的应用（9）6 电路安装调试步骤及方法（11）7实验结果分析（12） 7.1实验记录（12） 7.2误差分析（13）8 改进意见、收获、体会与总结（14）9 仪器仪表清单（15）参考文献（16） 一 课题简介1.关于温度测量温度是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关，也是仪器科学和各类工程设计中必须精确测定的重要物理量。随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓宽，测温精度不断提高，新的温度传感器不断出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器等。由于检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式不同，所以相

9、应的硬件和软件也就不同。温度与温标温度不能直接加以测量，只能利用冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性进行间接测量。温度测量方法按感温元件是否与被测介质接触分成接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用广泛。非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。它可测高温、腐蚀、有毒、运动物体和固体、液体表面的温度，但精度偏低。 2.关于铂电阻铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻

10、值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。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,但它同时也存在非线性的缺点,因此在利用铂热电阻进行精确温度测量时,除要克服测量电路自身的噪声干扰外,还要对铂热电阻的非线性进行矫正。二、设计要求及技术指标 1.设计的目的和设计的任务1.1课程设计的目的 通过设计了解如何运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温

11、度测量和控制电路的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。 1、掌握传感器选择的一般设计方法；2、掌握模拟IC器件的应用；3、掌握测量电路的设计方法；4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力 1.2 课程设计的任务应用集成运放和WZB(BA2)型铂电阻设计测温电路，测温范围为0500。0时，WZB型铂电阻的阻值R0为100。要求测温电路具有温度补偿功能，测温误差5%。2.课程设计的要求及技术指标 2.1课程设计的要求通过设计了解如何运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试，学会

12、对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。 2.2课程设计的技术指标1、设计、组装、调试； 2、温度测量范围：0500；3、测量温度误差5； 4、输出电压：05V；5、非线性误差：0.5；6、具有温度补偿功能；3.总方案及原理框图3.1 总方案应用集成运放和WZB(BA2)型铂电阻设计测温电路，测温范围为0500。0时，WZB型铂电阻的阻值R0为100。要求测温电路具有温度补偿功能，测温误差5%。测量电路由基准电压电路，铂电阻温度传感器构成的转换电路，反相加法器，取样电路等主电路组成。由MAX876提供稳压源，OP07作为运放

13、构成反向放大器、反向加法器，为了实现温度补偿和非线性补偿功能，在铂电阻温度传感器构成的转换电路输出端取样，经过反相放大器，输入转换电路，同时在基准电压的输出端取样电路2采样信号输入反相加法器。实现补偿功能。（采样电路见下原理框图）3.2原理框图 图 31 4.电路各组成部分的工作原理 4.1稳压电路工作原理： 图41MAX876和电容C1构成稳压电路，在外接电源的情况下输出十伏稳压电压4.2 Pt温度传感器反向放大电路工作原理： 图42利用Pt100温度传感器测量外界温度，并将温度信号转换成电信号接入电路并反向放大4.3 取样电路1和反向放大器电路工作原理： 图44通过调节Rp1并经过反向放大

14、电路接入到Pt温度传感器反向放大电路的反向输入端可用于改善铂电阻Pt100的线性。 4.4 取样电路2的工作原理： 图45 图示45中线路12所示，稳压电路的输入端通过取样电路2加载到反向加法器，通过调节Rp2可对电路进行调零和温度补偿；4.5 反向加法器 图46反向加法器将温度传感器测得的温度信号和经过调零的取样信号整合叠加送到输出端4.6 总电路图 图 475 电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用5.1 电路的设计 传感器采用铂电阻的测试温度测量电路，基准电压Vi采用MAX876和0.1uf的电容，获得10V的基准电压，流经Pt100中电流为5MA。因Vo1输出负电压，后接反相器低漂

15、移运放OP07 IC3A，输出为0-5V，OP07 IC2A作用是正反馈，因此，为改善铂电阻的线性，需RP1调线性，RP2调零，PR4调测温度范围，此电路接入数字表就能作为测温仪表，经AD转换器接入微机可构成微机温度监控系统。5.2 电路参数的计算图51如图51选择Ui、IC1、IC2、IC3。Ui为基准电压一般Ui=10V，电路图如图51中的由IC1组成的电路。ICl、IC2、IC3选择7FOP07型集成运放，电源电压取15V。选择Rl、R2、R4、R5。a.选择R1。取I5mA，令I=2.5mA，则R1=UiI=10/(2.5103)=5k，取系列值4kb.选择R2、R4、R5。因R1=4

16、k，取R2=R1=4k。IC2为反相器，取R4= R5=10k。选择R3、RP1。a.计算有关参数。250时，铂电阻的实际阻值Rs为Rs=R0（1+0t0t2)=100(1+3.968471032505.8471072502)=195.557250时，铂电阻的线性阻值Rx为Rx= R0（1+0t) =100(1+3.96847103250)=199.212250时，ICl输出电压的实际值U1s为U1s=UiRsR1=10195.557(4103)=0.48889V250时，ICl线性化后的输出电压U1x为U1x=UiRxR1=10199.212(4103)=0.4980V250时，补偿电压U1

17、bc为Ulbc=U1xU1s=0.4980（0.4889）=0.0091V因U1bc=UfRsR2，则反馈电压Uf=U1bcR2Rs=0.00914103195.557=0.1861V。b选择R3、RP1。因Uf=（RPlR2)U1x(R3+RPl)，故R3+ RPl=U1x(Uf)(RPl2)，则R3+RP1=(0.49800.1861)(RPl2)=1.3380RP1R3=0.3380RPl，取RPl=10k，则R3=0.338010=3.380k，取系列值4k。选择R6、RP2。因UA=-UiR0R1=-101004103=0.25V，又因UA=Ui(RP22)(R6+RP2)，则R6+

18、RP2=(UiUA)(RP22)=(100.25)(RP22)=20RP2，R6=19RP2取RP2=2k，R6=192=38k，取系列值38k。选择R7、R8、R9、RP3。R7、R8均为IC3反相求和输入电阻，取R7=R8=10k。500时，铂电阻的线性阻值R5x=R0（1+0t)=100(1+3.96847103500)=298.42。500时，ICl的线性输出电压U1x=UiR5xR1=10298.42(4103)=0.7460V。500时，IC3的输出电压Uo应为5V，即Uo=R9+(RP32)U1xR7R9+(RP32)UAR8因R7=R8，则Uo=R9+(RP32)R8(U1x+

19、UA)R9+(RP32)=UoR8(U1x+UA)=510103(0.7460+0.25)=100.81k取R9=80k，RP3=2(100.8180)=41.62k，取系列值41k。上面是理论计算，调试时尚需通过RP1，调整补偿电压以满足误差要求。5.3 电路各部分工作特性及元件的应用 OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种

20、低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：超低偏移：150V最大。低输入偏置电流：1.8nA。低失调电压漂移：0.5V/。超稳定，时间：2V/month最大高电源电压范围：3V至22V. Pt100设计原理:Pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。Pt后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当Pt100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。REF102及其应用:REF102是高精度10V电压基准集成电路。经激光调校后其温漂在工业温度范

21、围内低至2.5ppm/，而在军品温度范围内也可达到5ppm/。由于REF102无需外加恒温装置，因而功耗低、升温快、稳定性好、噪声低。REF102的输出电压几乎不随供电电源电压及负载变化。通过调整外接电阻，输出电压的稳定性及温度漂移可降到最校11.4V至36V的单电源供电电压及优异的全面性能使REF102成为仪器、A/D、D/A及高精度直流电源应用的理想选择。REF102的特点:高精度输出：+10V0.0025V;超低温度漂移：2.5ppm/；高稳定性：5ppm/1000小时（典型值）；高负载调整率：1ppm/V，10ppm/mA；宽供电电压范围：11.4VDC至36VDC；低静态电流：1.4

22、mA6 电路安装调试步骤及方法 图61 1）按照总接线电路图，焊接好电路板 2）将运放OP07对应管脚分别接上+15V、-15V电压以及接地，电路其余要接地部分也接地，检查线路 3）在MAX876输入端外接10V的电压，用电压表测量Vi端电压（MAX876 6脚电压），调节RP4使Vi端电压为10V 4）断开R7和R8与反相放大器的连接（图61中箭头处），调节RP2使得箭头处的输出电压为0 5）再将R7、R8与后面的反相器连接，调节RP1、RP3使输出端输出电压Vo为零 6）用电热水壶将水烧开，将温度计插入，等水温升至100（实际98），将Pt100放至热水中，记下此时的电压值，然后让水开始冷

23、却，测下水温在10020对应的电压值的变化，每隔4测量并记录一次。 7）调节线性电阻RP1，重复步骤6，再测另外一组数据7 实验结果分析7.1实验记录及图像表示第一组： 第二组：温度电压981.9011941.8423901.7541861.6923821.6001781.5288741.4587701.3606661.2804621.2095581.1478541.0638501.0523460.9317420.8358380.7321340.6401300.5622260.5107温度电压981.9611941.8823901.7241861.6423821.5501781.5008741

24、.4587701.4006661.2404621.2005581.1378541.0738501.0523460.9017420.8308380.7421340.6001300.5622260.5307 第一组图像：第二组图像：7.2 误差分析 （1）铂电阻非线性影响。（2）铂电阻自热效应影响。流过铂电阻的电流越大，输出电压越大，灵敏度越高。但铂电阻自热效应产生的误差越大。 （3）感温元件插入深度影响。如果测温元件插入深度不够，热量沿套管向外界传导，会造成测温元件与被测介质的温度不同。 （4）导线电阻影响。铂电阻阻值小，受引线电阻影响大。当采用二线制时，引线电阻阻直接串联于铂电阻两侧。三线可以

25、减小引线电阻影响。8 改进意见、收获、体会与总结 为期两周的测控电路及传感器课程设计以及实习已经结束了，在这两周的时间内，通过查阅各种相关资料，设计电路，计算电路参数，到焊接电路板以及最后的调试电路，我们有了不少的收获与心得。 首先查阅资料是很重要的一个环节，我们要去了解元器件的功能，它能干什么，在电路中起什么作用，它的工作特性、引脚图等等。只有了解清楚了，我们才能进行电路的设计，否则一切都是空谈，在进行电路设计之前一定要把资料查清楚，磨刀不误砍柴工。 焊接电路时并没有遇到什么问题，毕竟我们组有四个人，我们将接线图反复检查了之后再进行焊接，焊的时候同时检查电路有没有焊错，有没有断线之类的情况，

26、所以最后电路板没有出什么问题。 调试的时候出了些问题，第一次测量的时候温度没有达到老师的要求，温度范围比较小，而且误差比较大。于是我们重新进行了测量。这次我们等水烧开的时候就将铂电阻和温度计插入水中，温度计不碰到和铂电阻不碰到水壶壁，让水继续烧，温度会继续上升，直至温度稳定的时候开始读数，因为压强的问题，水温达不到100，然后尽快的倒出水，让其自然冷却，不能往里面加冷水。水温一开始下降的很快，后来就比较慢了，我们只能在边上慢慢地等着，时刻观察着温度计的示数变化。 总而言之，这次课程设计还是比较成功的。我们顺利的完成了这次的任务，将书本上的知识运用到实际操作中，虽然在进行时麻烦不断，错误不少，但

27、大家团结协作，尽大家最大的努力去完成它，没有人说要放弃或是偷懒。今后我们要主动地去增强自己的动手操作能力以及设计电路的能力，毕竟这次的电路还是靠老师的方案才能完成的。 9 仪器仪表清单序号元器件、仪表名称及型号数量1MAX8761只2运放OP073只3电位器100K1只电位器50K1只电位器10K1只电位器2.7K1只4电阻27K1只电阻10K5只电阻2.7K2只电阻471只5电容0.1uF1只6温度传感器Pt1001只7底座4只8焊接板1个9数字万用表1台10直流稳压电源1台11焊锡丝若干12电烙铁1只13电水壶1只 14 导线若干参考文献1 童诗白主编模拟电子技术基础(第三版)高教出版社20012 杨素行主编模拟电子线路基础简明教程杨素行(第二版)高教出版社19983 王成华主编电子线路基础教程.科学出版社20004 李万臣主编模拟电子技术基础实验与课程设计(第一版) 哈尔滨工程大学出版社20015 孙梅生主编电子技术基础课程设计高教出版社19896 电子电路百科全书（1.2.3.4.卷）科学出版社 7 电子技术类杂志、报刊第 三 部 分设计电路图