Pt100测温电路设计.docx

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Pt100测温电路设计

第1章绪论

1.1传感器的概述

1.1.1传感器的定义

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。

1.1.2传感器的分类

传感器分类方法很多，常用的有2种:

一种是按被测的参数分，另一种是按变换原理来分。

通常按被测的参数来分类，可分为热工参数:

温度、比热、压力、流量、液位等;机械量参数:

位移、力、加速度、重量等;物性参数:

比重、浓度、算监度等;状态量参数:

颜色、裂纹、磨损等。

温度传感器属于热工参数。

温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:

一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。

这种测温方法精度比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

目前最常用的是辐射热交换原理。

此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

1.1.3传感器的应用

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。

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。

1.1.4温度传感器的介绍

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。

　　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。

温度传感器工作原理的分类物理传感器应用的是温度效应，。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

温度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。

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。

两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。

这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。

这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。

由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。

不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。

热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。

对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

温度传感器是各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。

温度传感器有四种主要类型：

热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

1.2Pt100的概述

1.2.1温度传感器的工作原理

温度传感器工作原理的分类物理传感器应用的是温度效应，。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

温度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。

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。

两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。

这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。

这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。

由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。

不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。

热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。

对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

1.2.2Pt100简介

铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。

铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定。

因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。

铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。

铂电阻的阻值温度之间的关系，在0～850℃范围内可用下式表示，

Rt=R0（1+At+Bt2）

在-200～0℃范围内则用下式表示，

Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）3]

式中Rt---温度为t℃时的铂电阻的阻值；

R0---温度为0℃时的铂电阻的阻值；

A、B、C为常数，

A=3.96847×10-3/℃；

B=-5.847×10-7/℃；

C=-4.22×10-12/℃；

对满足上述关系的热电阻，其温度系数约为3.9×10-3/℃。

根据国家从1988年开始采用的IEC标准，工业用标准铂电阻R0有100Ω

和50Ω两种，并将电阻值Rt与温度t的对应关系列成表格，成为铂电阻分度表，分度号分别为Pt100和Pt50。

PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0℃时它的阻值为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。

设计中我们就是利用PT100的这一特性来实现温度与输出值之间的转化的。

第2章设计电路及内容

2.1部分电路介绍

LM324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态）,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍）。

此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。

当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。

TL431是一种并联稳压集成电路。

因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。

其封装形式与塑封三极管9013等相同。

图2-1放大电路图2-2稳压电路

TL431的具体功能可以用图2-3的功能模块示意。

由图可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。

由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。

当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，但可用于分析理解电路。

图2-3内部结构

2.2Pt100热电阻测温电路

2.2.1总体电路图

图3-1Pt100测温传感器电路图

2.2.2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。

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-50~300℃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-200~500℃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。

测温原理是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一。

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100Ω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ｍＶ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。

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。

2.3元件清单

Pt1001个

运算放大器LM3241个

滑动变阻器TL4311个

滑动变阻器IN47331个

电容1031个

电容1041个

电阻2K2个

电阻100K2个

电阻1K4个

第3章实验数据及调试

3.1测量方法

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、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温（-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温度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。

校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。

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。

下面分别对桥式电路和恒流源式电路的原理在设计过程中应注意事项进行说明。

测温原理：

电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω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mV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。

设计及调试注意点：

（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的比值即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）放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作（以前就有个猪头特别提醒说只有接成正反馈才能正常工作，我也没做试验就拿它当经验，害得我重新做板）。

（4）VR2也可为电位器，调节电位器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100Ω，当电位器阻值调至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。

测量电位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这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为2.33*（RPt100/（R1+RPt100）-RVR2/（R1+RVR2））*100,式中电阻值以电路工作时量取的为准。

3.2测量结果及分析

3.2.1测量结果

表3-2实验测量值与理论值

RPt100

R1

RVR2

V（实际）

V（理论）

107Ω

2000Ω

104Ω

0.40v

0.415v

111Ω

2000Ω

104Ω

0.73v

0.741V

99Ω

2000Ω

104Ω

0.50v

-0.521v

3.2.2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。

3.3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。

总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

通过这次热电阻温度测试电路的设计与制作，也懂得了温故而知新的重要性。

课程设计之后对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

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。

致谢

这次Pt100测温电路的设计是在李学军老师的精心指导下完成的，这次设计不仅使我的传感器知识有所增加，更使我培养了独立思考，独立完成设计的良好习惯，使我更加的了解了有关传感器的知识，为我以后的就业创造了良好地契机，在这次设计中我遇到了很多的困难，但都在老师和同学们的帮助下解决了，所以非常感谢我的同学们，也使我理解了团结就是力量这句话。

最后再次感谢我的指导教师李学军老师，感谢您在百忙之中对我们耐心细致的指导，没有您给予我们的帮助就没有我们的成功，老师，谢谢您！

参考文献

[1]夏路易.电路原理图与电路板设计教程Protel99SE[M].北京希望电子出版社.2002

[2]陈杰.传感器与检测技术[M].高等教育出版社.2002

[3]张琳娜.传感检测技术及应用[M].中国计量出版社.1999

[4]张福学.传感器敏感元件大全[M].北京电子工业出版社.1990

[5]袁希光.传感器手册[M].北京国防工业出版社.1986

[6]陈晓文.电子线路课程设计[M].北京电子工业出版社,2004年.