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1、燕山大学课程设计说明书燕山大学题目：基于铂电阻的的温度测量调理电路设计 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 08 级检测 2 班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 讲师 燕山大学课程设计说明书2燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：仪器科学与工程系 学 号 学生姓名 专业（班级） 检测技术与仪 器设计题目 基于铂电阻的温度测量调理电路设计设计技术参数采用 Pt1000 作为温度敏感元件，当温度在-10 到 300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为 02.5V。设计要求1：完成题目的理论设计模型2：完成电路的 multisim 仿真工作量1：完成一份设
2、计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果） ；2：提交一份电路原理图工作计划周一，查阅资料周二到周四，理论设计及计算机仿真周五，撰写设计说明书参考资料1：基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计2：模拟电子技术3：电路理论4：数字电子技术指导教师签字 温江涛 基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011 年 6 月 25 日 燕山大学课程设计说明书3目 录前 言.4第一章 方案设计与论证.51.1 传感器.51.2 系统的工作原理.51.3 铂电阻温度/阻值性能的简要介绍.51.4 基于铂电阻的温度传感器.6第二章 温度测量调理电路设计.82
3、.1 PT1000 传感器特性和测温原理.82.2 测量电路 .82.3 恒流源电路.92.4 运算放大器电路.92.5 输出偏置电路 .10第三章 电路仿真. .103.1 Multisim 仿真软件介绍 .123.2 电路仿真 . .13第四章 电路原理图.15第五章 课程设计心得体会.16参考文献燕山大学课程设计说明书4前言运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器件。温度传感器充分应用这些模拟器件的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统
4、。本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量系统，如果稍微改装可以做热水 器温度调节系统、生产温度监控系统等等。本课题主要任务是完成铂电阻环境温度检测的电路设计，当温度在-10 到 300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为 02.5V。燕山大学课程设计说明书5第一章 方案设计与论证1.1 传感器热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、 物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如 PT100、PT1000 等。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结
5、构简单、制造方 便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂 铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环
6、境温度等多种其它因素的影响。 由于本设计的任务是要求测量的范围为 -10300，采用线性度相对较好的 PT1000 作为本课题的温度传感器，具体的型号为 WZP 型铂电阻，该传感器的测温范围从200650。1.2 系统的工作原理温度测量模拟电路是把当前 PT1000 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，即通过采用 Pt1000 作为温度敏感元件，经过三线制恒流源电路、运算放大电路等环节，使当温度在-10 到 300 摄氏度变化时，输出信号的幅值为 02.5V。1.3 铂电阻温度/阻值性能的简要介绍铂电阻具有测温范围大、准确度高、性能稳定、重复性好等特点，是一种比较理想的温度检测元件，
7、在工业上被广泛应用。但铂电阻由于受到自身的误差、电阻测量的系统误差和引线、环境温度等影响，温度测量精度不能达到很高，使用时会受到一定的限制。传统的三线制、四线制及恒流源铂电阻测温法， 其出发点主要是消除引线阻抗的影响，而对测量的系统误差和铂电阻本身的误差考虑较少。另外，对铂电阻测温电路，大多采用非线性校正方法，消除这些误差，以提高整体的测量精度，并减少大量生产时调校的工作量，满足批量生产时调校的可行性与方便性。燕山大学课程设计说明书6铂电阻的温度电阻特性：当-200t0时，Rt=R01+At+Bt2 +C(t-100)t3 ;当 0t850时，Rt=R0（1+At+Bt 2） 。Rt 为在 t
8、时的电阻值，R0 为在 0时的电阻值。TCR=0.时的系数值为：A=3.908310-3 -1，B=-5.77510 -7 -2，C=-4.18310 -12 -4。1.4 基于铂电阻的温度传感器设计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. 本文根据铂电阻( Pt1000) 国际分度表函数的非线性特点,提出了一种在 0650 范围
9、内补偿其非线性的方法,设计了专用的非线性补偿电路,在对电路补偿原理及效果进行理论分析和计算机模拟仿真的基础上,实际制作了该非线性补偿电路,并进行了现场测试. 铂电阻 Pt1000 的非线性补偿电路见下图：燕山大学课程设计说明书7图为非平衡电桥非线性矫正方法。非平衡电桥结构简单，动态性好，广泛的应用于测温，测压等电路中。但常用的恒压源非平衡电桥的输出电压U 与铂电阻R 存在非线性问题。图 2 为恒压源非平衡电桥原理图，R1 、R2 、R 为精密桥臂电阻；感温元件铂电阻 Rt 其阻值随环境温度 t 而变化当电源输出电压 E 一定时，非平衡电桥输出电压为：显然， U与 Rt是非线性关系。产生非线性的
10、原因是Rt 随着温度变化时，流过Rt 的电流，也发生了变化。如果在非平衡电桥Rt 的一臂加恒流源就可以解决非平衡桥带来的非线性问题。燕山大学课程设计说明书8第二章 温度测量调理电路设计2.1 PT1000 传感器特性和测温原理电阻式温度传感器(RTD, Resistance Temperature Detector)是指一种物质材料作成的电阻, 它会随温度的改变而改变电阻值。PT1000 温度传感器的测量范围广：-200+650，偏差小，响应时间短，还具有抗振 动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计即采用 PT1000 作为 温度传感器。 主要技术指标：1. 测温范围
11、：-200650 摄氏度；2. 测温精度： 0.1 摄氏度； 3. 稳定性：0.1 摄氏度 Pt1000 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相 应温度。采用 Pt1000 测量温度一般有两种方案： 方案一：设计一个恒流源通过 Pt1000 热电阻，通过检测 Pt1000 上电压的变化来换算出温度。方案二：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用 Pt1000 热电阻， 当 Pt1000 电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。 两种方案的区别只在于信
12、号获取电路的不同，其原理上基本一致。2.2 测量电路测量 3 4 端的电压差值，然后进行后续的放大即可，电路图中,下方为一 howland 电流泵用作恒流源，上方桥路中加入一电压跟随器，节点 5 和 10 分别为输出，输入端，以保证两点电压相等。计算得输出U=0.5IR。 I 为恒流源的电流值。由上式可知输出电压U 与R 成线性关系，克服了非平衡电桥的输出电压与铂电阻的非线性。同时U燕山大学课程设计说明书9与引线电阻 r 无关。因此只要两半桥所使用的导线的材料，长度，截面积相同，就可以消除温漂及引线电阻对电桥输出电压的影响。2.3 恒流源电路从上述关于 PT1000 传感器测温原理可知，由 P
13、T1000 构成信号的获取电路常用的方法有 2 种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，如若考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。上述两种电路的结构形式如下图所示。A 图单臂桥式： B 图恒流源式：在本次设计中我们首先考虑到可以利用图 A，为解决其非线性问题激励源我们可以改变为恒流源，前面已经叙述怎样解决非线性以及导线电阻等问题，恒流源采用 howland 电流泵。如图所示：恒流源输出为 91/RVi根据本次课设任务要求，当 Pt1000 的温度在-10到 300变化时，其阻值变化范围为：960.859 欧姆到 2120.515 欧姆（参见附录 A） ，流过 Pt100
