铂电阻传感器测量电路设计报告.docx
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铂电阻传感器测量电路设计报告
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：
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0℃~500℃。
0℃时，WZB型铂电阻的阻值R0为100Ω。
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：
0～100℃；
3、测量温度误差≤±5％；
4、输出电压：
0～5V；
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OP07
5．电阻、电容若干
6．温度传感器Pt100
7．万能电路板
8．电烙铁等
六、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，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
1课题简介………………………………………………………………………………
（1）
1.1基于铂电阻的温度传感器设计…………………………………………………………
（1）
1.2铂电阻Pt100的非线性特点及补偿思路………………………………………………
（1）2设计要求及技术指标……………………………………………………………………
（2）
2.1课程设计的目的和设计的任务…………………………………………………………
（2）
2.2课程设计的要求及技术指标…………………………………………………………
（2）
2.3总方案及原理框图……………………………………………………………………
（2）
2.4各组成部分的工作原理………………………………………………………………
（2）
2.5电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用……………………………………（3）
2.6总原理图………………………………………………………………………………（3）
2.7电路安装、调试步骤及方法……………………………………………………………（4）
2.8实验结果分析…………………………………………………………………………（4）
2.9改进意见、收获、体会、设计总结………………………………………………………（4）
2.10仪器仪表清单…………………………………………………………………………（5）
参考文献………………………………………………………………………………（6）
1课题简介
1.1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.
1.2铂电阻Pt100的非线性特点及补偿思路
按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂电阻PT100在0～100℃范围内的符台ITS-90的国际分度表函数Rt，可用下式表示：
Rt=R0（11At-Bt2）
（1）
其中：
Rt，R0分别是t℃和0℃时的铂电阻阻值，R0=100Ω，A=3.90802×10-3℃-1；B=5.80195×10-1℃-1。
该分度函数的特点是覆盖温度范围宽精度高，以广泛使用的分度值（以10℃为间隔）来作比较，可以看出，在0～100℃范围内二阶拟合值；实际标称阻值的最大绝对误差为0.0049Ω，平均绝对误差为0.0026Ω，这时的最大相对误差仅为1.487×10-6，因此该二阶拟合函数完全可以满足高精度测量的要求，但由于函数中存在非线性项Bt2，因此随着温度的升高，铂电阻的非线性越来越严重。
非线性项系数小于零，说明电阻的变化率随着温度的升高而下降，要消除铂电阻非线性对测量输出的影响，就需要设法补偿在不同温度点时由于电阻的变化率下降而导致测量输出信号减小或增加的部分下。
下面以恒流源激励，电压信号输出测量为例，来说明本文的补偿思想。
设用恒流源I0来激励铂电阻，通过测量铂电阻两端的电压来实现温度测量，则在t℃时铂电阻两端的输出电压为：
Vt=I0Rt=IoR0（1At-Bt2）
（2）
如果没有非线性项Bt2存在，输出的电压应为：
V't=I0Rt=I0R0（1At）（3）
可见由于非线性项Bt2存在，使得实际的输出与线性输出相比小了I0R0Bt2，这时我们自然想到可以通过增加激励电流来增加电压输出以抵消它，假定在t℃时让激励电流增加△It，这样输出电压将增加：
△Vt=△ItRt=△ItR0（1At-Bt2）（4）
令△Vt=IoR0Bt2，得到：
（5）
因此从理论上看，只要使通过热电阻的激励电流按
（6）
取值，则可以消除输出电压与温度之间的非线性，但由于t是未知的待测参量，所以电路实现时只能通过动态反馈的方式来实时调整通过热电阻的激励电流。
2设计要求及技术指标
2.1课程设计的目的和设计的任务
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。
2.2课程设计的要求及技术指标
1、设计、组装、调试；
2、温度测量范围：
0～500℃；
3、测量温度误差≤±5％；
4、输出电压：
0～5V；
5、非线性误差：
±0.5％；
6、具有温度补偿功能；
2.3总方案及原理框图
本课题中测量电路组成框图如下所示：
（图一原理框图）
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。
2.4各组成部分的工作原理
1、稳压电路部分：
MAX876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；
2、Pt温度传感器反向放大电路：
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；
3、方向放大电路：
通过调节Rp1并经过反向放大电路接入到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、取样电路2：
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；
5、反向加法器：
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
2.5电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用
1、电路设计：
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，后接反相器低漂移运放OP07IC3A，输出为0-5V，OP07IC2A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。
2、电路各部分工作特性：
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25μV），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：
150μV最大。
低输入偏置电流：
1.8nA。
低失调电压漂移：
0.5μV/℃。
超稳定，时间：
2μV/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围内低至2.5ppm/?
C，而在军品温度范围内也可达到5ppm/?
C。
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/?
C；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；低噪声：
？
5Vp-p?
（0.1Hz至10Hz内）；低静态电流：
≤1.4mA。
2.6总原理图
（图二原理图）
2.7电路安装、调试步骤及方法
焊接电路板完成后，在MAX876输入端外接十伏左右的电压，用电压表测量Vi端电压，调节外接电源使Vi端电压为十伏；低漂移运放OP07外接正负15伏电压，将温度传感器Pt100放入热水中，用电压表测量输出端Vo的电压，调整可调电阻RP2和RP3，使输出端电压和此时温度相对应。
随着温度慢慢降低分别记录85度到35度之间的电压值。
调整线性调节电阻RP1，重新测量另一组数据并记录。
2.8实验结果分析
测得温度——电压值：
第一组：
第二组：
温度（摄氏度）
电压（伏特）
温度（摄氏度）
电压（伏特）
85
1.8483
85
1.8135
80
1.8002
80
1.7725
75
1.7145
75
1.7224
70
1.6892
70
1.6717
65
1.6400
65
1.6133
60
1.5883
60
1.5602
55
1.5353
55
1.5012
50
1.4720
50
1.4450
45
1.4203
45
1.3865
40
1.3635
40
1.3312
35
1.2956
35
1.2775
实验结果分析：
由于误差的存在，根据数据分析，温度和输出电压理论上成线性关系。
2.9改进意见、收获、体会、设计总结
1、改进意见：
电路板防止虚焊、提供稳定的输入电源、测量人员读数时尽量精确读数。
2、收获与体会：
通过这段时间不懈的努力与切实追求，我们小组终于做完了课程设计。
通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。
其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后成功调试测得适当数据的欣喜。
这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。
3、设计总结：
本次课程设计是利用温度传感器Pt100进行测量温度，并将温度信号转化成电信号通过电压的形式输出，这次的课程设计总体来说比较简单，在电路原理图的绘制、电路元器件的焊接和调试方面都是我们所学过的知识所能处理的，课程设计的内容和我们的专业相配合，是我们专业知识的一次实际应用。
2.10仪器仪表清单
1、MAX876一只
2、OP07三只
3、Pt100一只
4、电容0.1uf一只
5、电阻10K五只2.7K两只
27K一只47K一只
6、可调电阻100K一只50K一只
10K一只2.7K一只
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.2001
[2]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.1998
[3]王成华主编.《电子线路基础教程》.科学出版社.2000
[4]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·2001
[5]孙梅生主编.<<电子技术基础课程设计>>.高教出版社.1989
[6]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
企业参观感言
开学后的第二周，在老师的带领下，我们班级参观了和本专业有关的各大工厂企业，借此机会去感受一下未来有可能的工作环境。
在我看来，这是一次很及时的实习安排活动。
太久闷在学校的我们，没有接触过这类的工厂企业，所以对未来的工作就感觉的很空泛，不知所以。
然而这次的参观，从我们的认识上就开始了对未来的规划，让我们所学的知识找到了落脚点，扫除了对知识技能无处可用的茫然。
在老师的带领下，我们坐车首先来到了扬州的智谷——国家电网。
电力对我们的生活的巨大作用不言自明，然而随着人生生活水平不断提高，普通的供电设施以及家电产品已经越来越不能满足人们的生活要求。
因此，智谷自然注重于一些新型的含有高科技含量的研发生产。
在解说员的带领下，我们在展览厅依次观看了已经研发出来的各种具有高新技术的家电产品、新型材料等，可谓是大饱眼福。
像一些可以远程控制的洗衣机、太阳能灶、LED节能灯、环保的电动汽车等等，方便节能，在燃料渐渐消耗殆尽的今天，必定会打开广阔市场，方便千家万户。
也会是我们大学生以后的工作目标。
虽说这些高新产品看似对我们有些陌生，然而有些部分却是我们所学知识的应用，就像是太阳能灶，原理就非常简单。
利用太阳能电池板吸收太阳能，再将太阳能转换成电能，利用电能将水分解成氢气和氧气，以氢氧混合物作为燃料可以煮饭等用途。
在煤、天然气渐渐殆尽的今天，太阳能产品依靠其节能环保不浪费资源，必然有着非常广阔的前景。
在依依不舍地离开了扬州智谷之后，还在怀念着那些高新技术的产品的我们来到了生产传感器的奥力威公司。
传感器作为现代三大科技之一，其关键性不言自明。
在各种测量方面都有着不可取代的作用。
这个公司重点生产油位传感器，在向我们介绍了他们公司生产各种传感器产品之后，负责人严肃地告诉我们：
现代社会，竞争非常激烈，所以各个工厂，需要的都是人才而非庸才，只有拥有扎实的理论基础，并能学以致用，才能在社会上立足。
他还叮嘱我们，在大学里一定要学好数学英语以及写作水平。
数学在各个学科都有着其基础作用，在各种复杂的生产控制方面，计算能力都是至关重要的。
现代社会，单单的在国内发展，不与国际接轨，必定会技术落后而被淘汰。
所以要和外国人交流技术，流利的英语水准必不可少。
而且也需要一定的表达能力，清楚地向别人表达自己的观点。
感谢这位负责人对我们的叮嘱，他的话让我更明确了这些学科对我未来发展的重要性。
然后，在相关负责人的带领下，我们参观了他们公司生产传感器的各种设备和一些产品。
尤其在汽车刹车防抱死，和万一汽车发生撞车翻车事故自动封闭油管防止汽车爆炸方面，负责人向我们做了详细的解说。
在接下来的两天，我们又分别参观了引江河水闸站太阳能科技公司和水表生产公司等企业，让我们对专业涉及的各类企业都有了大致的了解。
现代科技都离不开技术的支撑，不管是小型的智能仪表，还是大型的太阳能发电设备，都是以科技理论为支撑，这不禁让我感受到了知识的巨大力量。
而正处在大学阶段的我们，更是在学习这些实用的科技知识的黄金阶段。
通过这次各种企业的参观，让我浑浑噩噩的大学生活有了一种生活的动力，更是一种激励，所学的知识有了利用的方向和价值。
那位负责人的话也让我精神一振：
现代企业需要的是人才而非庸才，只用珍惜现在的学习时光，扎扎实实地学好相关专业的基础知识，充分发挥自己的动手与动脑能力，才能在未来的就业岗位上发挥出自己的能量，不至于以后对着仪器不知所措，唯有空叹了。
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