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1、燕山大学课程设计说明书题目:热电阻温度传感器的设计学院（系）：电气工程学院年级专业：学 号：学生姓名：指导教师:吴飞陈颖教师职称:副教授副教授燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：自动化仪表系学号学生姓名专业（班级）设计题目热电阻温度传感器的设计设 计 技 术参 数1测量范围：2输出电压：3热电阻阻值：4电压灵敏度：5精度：设计要求1学习掌握温度传感器的相关知识； 2热电阻阻值测量电路设计；3分度表数据库的设计与查询；4热电阻温度传感器的硬件调试；5撰写报告，完成答辩。工 作 量第18-19周（完成资料查阅，方案设计，电路仿真，硬件调试，测试及误差分 析等内容）工
2、 作 计 划设计时间共10天。第1-2天 资料查阅（图书馆及网络）；理论工作原理学习。 第3-4天设计方案制定。第5-6天Pt100热电阻分度表数据库设计。第7-8天 传感器硬件调试。第9-10天撰写报告，完成答辩。参 考 资 料张玉龙等传感器电路设计手册中国计量出版社1989年杨宝清孙宝元传感器及其应用手册2004单成祥传感器的理论与设计基础及其应用国防工业出版社1999年吴桂秀传感器应用制作入门浙江科学技术出版社2004指导教师签字吴飞陈颖基层教学单位主任签字谢平说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语:认真正确完善J
3、Li 口较为合理合理工作态度较认真理论分析一般方法设计一般不认真较差较差成绩：指导教师：2012年 1月5日正确设计结论 基本正确不正确评阅人：答辩小组评语:清晰 基本掌握 原理了解不清楚成绩：2012年 1月5日课程设计总成绩:答辩小组成员签字:2012年 1月5日目录摘要5第一章 温度传感器的组成及原理51温度传感器的组成52工作原理6第二章PT100的原理61 ptlOO的基本结构62 ptlOO的分度值63 pt 100的结构74 ptlOO 的性能7第三章 电路设计71采样电路设计82放大电路设计83模拟仿真电路9第四章数据库的建立10第五章参数及计算13参考文献14热电阻温度传感器
4、的设摘要PT100是电阻式温度传感器的一种，电阻式温度传感器(RTD,Resistance Temperature Detector) 种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改 变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果 它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度传 感器是以金属做成的,其中以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器,最为稳定一耐 酸碱、不会变质、相当线性, 最受工业界采用。本文主要介绍温度传感器主要特点及其工作原理。设计出其测温电路， 并对其进行仿真得出结论。主要设计的是大范围的测温，本文设计的传感器 是测量-200C500C的较大范
5、围传感器。关键字：PtlOO温度传感器 设计第一章 温度传感器的组成及原理1 温度传感器的组成温度传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于温度传感器输出信号 一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处 理、记录和显示的形式。其中，敏感元件是指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件，是传 感器中能直接感受被测量的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件输 出转换为适于传输和测量的电信号部分。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转 换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此， 信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分
6、。常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等， 它们分别与相应的传感器相配合。2 工作原理热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化 的特性。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已 开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻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。第二章 PT100 的原理1 pt100 的基本结构：pt100 是电阻时温度传感器的一种，电阻式温度传感器是一种物质材料做成的 电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着 上升就称为正电阻系数 ,如果它随温度的上升而电阻值
7、反而下降就称为负电 阻系数。大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,其中以铂(p t)做成的电阻 式温度检测器, 最为稳定耐酸碱、不会变质、相当线性, 最受工业界采用。PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻 系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(l+a T)其中a =0.00392,Ro为100Q (在0C的电阻值)，T为摄氏温度，因此铂做 成的电阻式温度传感器，又称为 PT100。R=100(1+0.00392T)R-100=0.392TT=(R-100)/0.392T=2.551(R-100)2 pt100 的分度值： 铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着
8、温度的变化而变化这一基本原理设计 和制作的，按0C时的电阻值R(C)的大小分为10欧姆(分度号为Pt 10) 和100欧姆(分度号为Pt 100)等，测温范围均为200850C.10欧姆铂热第 6 页 共 14电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于 100 欧姆的 铂热电阻，只要用于650C以上的温区；100欧姆铂热电阻主要用于650C 以下的温区，虽也可用于650C以上温区，但在650C以上温区不允许有A 级误差。100 欧姆铂热电阻的的分辨率比 10 欧姆铂热电阻的分辨率大 10 倍，对二次仪表的要求相应地一个数量级，因此在650C以下温区测温应尽 量选用 100欧姆铂热电
9、阻。3 pt100 的结构：本文虽然用现成的pt 100,但我们仍然有必要看看其结构。就结构而言， 铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻。工业铂热电阻也叫装 配铂热电阻，即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属管 或陶瓷管内，再安装上接线盒而成；铠装铂热电阻是将铂热电阻元件，过 渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有坚实，抗震， 可绕，线径小，使用安装方便等优点。4 pt 100的性能PT100,电阻温度系数为3.9X10-3/C, 0C时电阻值为100Q，电阻变化 率为0.3851Q /C。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围 广，是中低温区(-2
10、00C650C )最常用的一种温度检测器，不仅广泛 应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。按 IEC751 国际标准，温度系数 TCR=0.003851,Pt100(R0=100Q )、t1000(R=1000Q )为统一设计型铂电阻。0铂电阻传感器有良好的长期稳定性,典型实验数据为：在400C时持续30 时,0C时的最大温度漂移为0.02 C。第三章 电路设计1.采样电路设计采用3线制连接：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，采 用 R1、R2、VR2、Pt 100 构成测量电桥（其中 R1 = R2=10kQ , VR2 为 100Q 精密电阻），当Pt 100的电阻值和VR
11、2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV 级的压差信号，由此差压信号转换为温度。热电阻通过电阻相同的三根导线 和电桥连接其中两条线分别接在相邻的两臂内，当温度变化是，只要它们的 温度系数相同，它们电阻的变化就不会影响电桥的状态。R1R1R2io kor.R2io kor.10kPtlOOloo c*-loo c*-100 OhrnVR图一惠斯顿电桥2放大电路设计放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共 模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图2-3所示，三运放中由 A1、 A2 构成前级对称的同相、反相
12、输入放大器，后级为差动放大器，在 这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重 要，不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3与R4、R5与R6，还包括A1 第 8 页 共 14与 A2 放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。 随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内 部核心结构还是三运放，但是，采用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不 是什么复杂的问题。该放大器的特点为， 差动输入， 单端输出。电压增益可由一个电阻 RG 来确定,且增益连续可调,并有效地解决了后级负载对地连接的问题。 Al 、 A2 组成了同相高输入阻抗的差动输
13、入，差动输出 , 并承担了全部的增益放大 任务。由于电路结构对称，增益改变时，输入阻抗不变。反馈电阻Rl=R2=10k，放大器Al、A2的共增益、失调、漂移等误差均得到 了相互补偿.后级A3的增益为1 ,具有较高的共模抑制比和抗干扰能. 3模拟仿真电路如图所示，5Q的电阻是导线电阻，12v电源是电桥电源。放大倍数主要由2Q的电阻决定。连接三个5Q电阻的100Q电阻为pt 100，另一个100Q电阻为 高精度电阻和ptlOO在0 C的阻值相同。桥路上的另两个电阻选取较大电阻10kQ，是为了使流过pt 100的电流较小，否则电流较大，pt100将自生产生热量,是实际温度改变，导致测量不准确。这样，
14、通过电桥产生的小电压，通过放大 电桥后转化为可用电压。继而温度的变化影响电阻的变化，电阻的变化导致电 压变化。由电压的变化可求得温度的变化，故达到热电阻测温的效果。V5VvV-mho-图三模拟仿真电路第四章数据库的建立数据库的设计对应的温度对于ptlOO会造成固定阻值变化，一个固定 的温度对应一个阻值。一个固定的阻值对应一个固定的输出电压，该表中的电 压是由已知电阻通过仿真电路所得。由于本电路可测得温度范围较广，测量数 据较多，所以每隔ioc或者5C对其电压进行测量。对于出现在每10C中间 的电压数据，可通过线性得到。温度c电阻Q电压 v温度c电阻Q电压 v-20018.49-1.061-2590.19-0.127-19022.80-1.005-2092.16-0.101-18027.08-0.948-1594.12-0.076-17031.32-0.892-1096.09-0.051-16035.53-0.838-598.04-0.025-15039.71-0.7830100.000.000-14043.87-0.7285101.950.005-13048.00-0.67510103.900.050-12052.11-0,62115105.850.075-11056.19-0.56820107.790.100-10060.25-0.51
