热电阻地测温电路介绍.doc

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1、/Pt100Pt100 热电阻的测温电路热电阻的测温电路摘要摘要 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度 检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、 加工容易等特点。用于测量-200+500范围内的温度。温度测量系统应用广泛，涉及到各行各业的各个方面，在各种不同的领域中

2、都占有重要的位置。从降低开放成本扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发，设计一种以 Pt100 铂热电阻为温度信号采集元件的传感器温度测量系统。才测量系统不但可以测量室内的温度，还可以测量液体等的温度，在实际应用中，该系统运行稳定、可靠，电路设计简单实用。关键字关键字 传感器 Pt100 热电阻 温度测量/目录目录1 前言411 传感器概况412 设计目的72 设计要求821 设计内容822 设计要求93 原器件清单104 Pt100 热电阻的测温电路1141 总体电路图1142 工作原理115 Pt100 热电阻测温电路的原理及实现1251 测温电路的工作原理1252 测温电路的实现14

3、53 测量结果及结果分析156 制作过程及注意事项1661 制作过程1662 注意事项177 总结188 致谢19参考文献20/1 1 前言前言1 11 1传感器概况传感器概况传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾） ，并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传

4、输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 “传感器”在新韦式大词典中定义为： “从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件” 。 根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器Transducer”来称谓“传感器Sensor” 。传感器的作用传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时

5、代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、 新材料等具有重要作用的

6、各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取/大量人类感官无法直接获取的信息， 没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领 域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在发

7、展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。传感器的原理传感器的原理传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成 电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供15V 电源，激磁电 路中的晶体振荡器产生 400Hz 的方波，经过 TDA2030 功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器 T1 从静

8、止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到5V 的直流电源，该电源做运算放大器AD822 的工作电源；由基准电源 AD589 与双运放 AD822 组 成的高精度稳压电源产生4.5V 的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及 V/F 转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的 mV 级的应变信号通过仪表放大器AD620 放大成 1.5v1v 的强信号，再通过 V/F 转换器 LM131 变换成频率信号，通过信号环形变压器 T2 从旋转的初级 线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号

9、，该信号为TTL 电平,既可提供给专用二次仪 表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动-静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽， 因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决/了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。1 12 2设计目的设计目的1通过对铂电阻测温的研究,采用以运算放大器电路为基础的校正补偿方法,结合算法简单、校正精度高的线性插值“软校正“方法,有效地解决铂电阻测温电路的非线

10、性误差问题,提高了测量精度。完成 PT100电阻测温电路的设计到完工的全过程。2通过本次课程设计，提高我们的动手能力，并且让我们深刻了解到一个电路板从设计到完工的全部过程。提高我们的合作能力与团结互助精神。为我们以后的学习和工作打下坚实的基础。3掌握控制系统的基本概念、基本理论，熟悉控制系统的安装，调试与运行的基本知识。4在学习过程中，学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息，并运用 比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工。5能对自已的学习过程进行计划、反思、评价和调控，提高自主学习的能力。6.通过理论实践一体化的学习过程，深入了解实践与理论之间的相互关系。7.通过各种实践活动，思考

11、优化实践的过程和方法，并尝试改进，尝试运用技术和研究方法解决一些工程实践问题。8.通过实践活动，培养质疑意识，具有分析、解决问题的能力。2 2 设计要求设计要求2 21 1 设计内容设计内容铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高，测量范围大，复现性和稳定性好，被广泛应用于中温（-200-650）范围的温度测量中。PT100 是一种广泛应用的测温元件，在-50-600范围内具有其他任何传感器无可比拟的优势，包括高精度，稳定性好，抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。常用的 PT 电阻接法有两种，分别为三线制和

12、两线制，本次课程实际采用两线制。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路；一为恒流源式测温电路。本次课程设计采用桥式测温电路。2 22 2 设计要求设计要求/1按照实验原理：以获得被测量温度的两线制铂热电阻、一运算放大电路及一调零电阻；所述两线制铂热电阻包括一正端子、一负端子，其特征在于，所述恒流源连接所述两线制铂热电阻的正端子，所述运算放大电路的输入端接所述两线制铂热电阻的正端子，所述调零电阻的一端连接所述两线制铂热电阻的负端子，其另一端接入电路中；该放大器的输出电压和热电阻的电阻变化值成线性关系。2要求学生掌握原理后，自己设计出电路图并将电路刻在板子上，经过一系列的刷漆，浸泡，焊接等过程完成

13、 PT100 电阻测温电路的实现。3.掌握检测仪表与传感器的工作原理、使用和工程选用方法，能根据要求选用和使用常用传感器。4.掌握简单控制系统分析、应用方法和初步具备单回路控制系统的能处理典型系统的一般故障，具有了解过程控制技术应用新动向和进一步学习过程控制技术的能力。3 3 元器件清单元器件清单序号元器件名称型号数量备注1PT10012运算放大器LM32413滑动变阻器TL43114滑动变阻器IN473315电容10316电容10417电阻ROMH22K8电阻ROMH2100K9电阻ROMH41K4 4 Pt100Pt100 热电阻的测温电路热电阻的测温电路4 41 1 总体电路图总体电路图

14、/图 1 两线制接法桥式测温电路4 42 2 工作原理工作原理测温原理：二线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。电流回路和电压测量回路合二为1。电路采用 TL431 和电位器 VR1 调节产生 4.096的参考电源：采用R1，R2，VR2，PT100 构成测量电桥（其中 R1=R2,VR2 为 100 精密电阻） ，当 PT100的电阻值和 VR2 的电阻值不相等时，电桥输出一个级的压差信号，这个压差信号经过运放 LM324 放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连 AD 转换芯片。差动放大电路中 R3=R4，R5=R6,放大倍数=R5/R3.运放采用单一 5V 供电

15、。5 5 Pt100Pt100 热电阻的测温电路的原理及实现热电阻的测温电路的原理及实现5 51 1 测温电路的工作原理测温电路的工作原理1工作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。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。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Rt=Rt01+（t-t0）式中，Rt 为温度 t 时的阻值；Rt0 为温度 t0（通常 t0=0）时对应电阻值； 为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t/式中 Rt

16、 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。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。2.热电阻的信号连接方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线

17、主要有三种方式1二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻 r，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合2三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。3四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流 I，把 R 转换成电压信号 U，再通过另两根引线把 U 引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主

18、要用于高精度的温度检测。 在本次设计中，实验室采用了二线制接法。3.热电阻的结构形式和热电偶温度传感器相类似，工业上常用的热电阻主要有普通装配式热电阻和铠装热电阻两种型式。普通通装配式热电阻是由感温体、有锈钢外保护管、接线盒以及各种用途的固定装置级成，安装固定装置有固定外螺纹、活动法兰盘、固定法兰和带固定螺栓锥形保护管等形式。铠装热电阻外保护套管采用不锈钢，内充高密度氧化物绝缘体，具有很强的抗污染性能和优良的机械强度。与前者相比，铠装热电阻具有直径小、易弯曲、抗震性好、热响应时间快、使用寿命长的优点。对于一些特殊的测温场合，还可以选用一些专业型热电阻，如，测量固体表面温度可以选用端面热电阻，在

19、易燃易爆场合可以选用防爆型热电阻，测量震动设备上的/温度可以选用带有防震结构的热电阻等。5 52 2 测温电路的实现测温电路的实现1.同幅度调整 R1 和 R2 的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；2.改变 R5/R3 的比值可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求；3.放大电路需接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作；4.VR2 为滑动变阻器，调节滑动变阻器的阻值大小可以改变温度的零点设定，例如，PT100 的零点温度为 0，即 0时电阻为 100，当阻值调节到 109.855时，温度的零点就被设在了 25。测量滑动变阻器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测

20、量的电阻值发生了改变；5.理论上，运放输出的电压为输入压差信号*放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非由这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为 4.096*（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2)式中电阻值以电路工作时量取的为准。6.电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接接 VCC 的话，当电网波动造成 VCC 发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到 VCC 未发生波动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确了，这可以根据上式进行计算得知。7.理论分析完后，将电路图刻在板子上，然后经过刷漆，腐蚀，焊板，调试等一系列

21、过程后，进行下一步测量结果。5 53 3 测量结果及结果分析测量结果及结果分析一检测结果：1.首先，把 Rpt100=110，R1=2000，Rvr2=100 算出理论的输出电压值 为0.0179V；当温度升高时 Rpt100=111.5，R1=2000，Rvr2=100 时，算出理论的输出电压值为0.0207V；/2.放大倍数为100倍，用万用表测出输出电压为1.75mV；将铂电阻的温度升高一些后，再测量出输出电压为1.98mV。二结果分析：测量出的电压输出值与其理论值有些出入，分析原因可能及改进方法有以下几点：1.在万用表测量其输出电压时，不同的时刻读到的值不同，造成一定误差。可采用更精确

22、的测量装置能减小误差。2.PT100引线电阻随着温度变化对实验结果造成影响。实际应用中常采用三线制或四线制接线方式，但实验室提供的 PT100只有两根引线，无法减小引线电阻变化的影响。3.测温电路本身的非线性等原因。此项误差由电路设计保证，非常小，可以忽略不计。6 6 制作过程及注意事项制作过程及注意事项6 61 1 制作过程制作过程1按照电路图，利用 protel99SE 软件画出 PCB 图，按照尺寸将 PCB 布线图用复写纸画到覆铜板上；2用直径为1.0mm 的电钻钻头在 PCB 板上按位钻孔；3按照之前的布线轨迹，用细毛笔涂油漆的方法覆盖所有布线轨迹，描好后晾干，为了漂亮，还可以用小刀

23、把线条修整齐；4把以上步骤做好的板子放入三氯化铁溶液中，因为腐蚀的速度与腐蚀液的浓度，温度及腐蚀过程中采取抖动有关，因此为了保证制板质量及提高腐蚀速度，可以采用抖动和加热的方法；5用溶液将板子腐蚀完毕后用自来水将板子冲洗干净；6用洗甲水将板子上残留的油漆洗干净至露出覆铜；7按照电路图，将相应的元件按照原图焊接到板子的相应位置；8焊接完毕后，进行调试及测量，并对结果进行分析。6 62 2 注意事项注意事项/一般来说，造成硬件问题的首要问题就是焊接了，也就是说焊接的好与坏直接响产品的正常运行。造成焊接质量不高的常见原因是:1焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。2冷焊。焊接时烙

24、铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮(不光滑),有细小裂纹。3夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜；若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。对于已形成黑膜的,则要“吃“净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。4焊锡连桥。指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。5焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无

25、水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。6焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙铁离开焊点时角度不当浩成的内。最小系统的电路不工作，首先应该确认电源电压是否正常。用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压，看是否符合电源电压，常用的是 5V 左右。接下来就是检测复位引脚的电压是否正常，EA 引脚的电压要正常为 5V 左右。还有就是要注意三氯化铁溶液，虽然三氯化铁溶液对人体皮肤不会有不良影响，但是如果三氯化铁溶液滴到衣服或地面上那是难以洗掉的，所以使用时应该特别小心。印刷板制作工艺存在的问题：印刷版各线条应根据需要合理的布局，否则上油漆时就容易碰触而造成短路现象，所以在

26、上油漆时应该特别认真，避免两条线接触到。如果不小心两条线接触在了一起，则应该用小刀划开。7 7 总结总结此次课程设计，是由两个人共同完成的，由于本学期刚刚结束的课程传感器与检测技术的学习，使我们对于热电阻测温度的设计电路更加熟悉，每/一个步骤都贯穿着刚刚学过的传感器的内容，使我了解到传感器与检测技术这门课程的重要性。从刚开始的看到设计图，到拿到元件、芯片及板子，再到自己亲自动手制作PCB 板，最后到焊完板子后的调试及测量，我们经历了大概一周的设计、制作及焊接，在这个过程中，我们也遇到很多问题，但是并没有气馁，积极向老师和同学请教，并且一遍又一边的重复实验，直到调试成功。而且，我们的努力也没有白

27、费，通过认真严谨的设计态度给我们带来了成功的喜悦。通过这次传感器课程设计，我掌握了设计一个传感器电路的方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。此次传感器课程设计的成功不仅帮助我们更好的掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力。/参考文献1 电路原理图与电路板设计教程 Protel 99SE.夏路易 石宗义.北京希望电子出版社.20022 传感器与检测技术.陈杰 黄鸿.高等教育出版社.20023 传感检测技术及应用M.张琳娜 刘武发.中国计量出版社.19994 传感器原理及应用. 吴建平.机械工业出版社，2012. 5 杨清梅,孙建民.传感器与测试技术M.哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2005. 6 范晶彦.传感器与检测技术应用M.北京:机械工业出版社,2005. 7 王俊峰,孟令启.现代传感器应用技术M.北京:机械工业出版社,2007. 8 宋文绪,杨 帆.自动检测技术M.北京:高等教育出版社,2000.