Pt100熱電阻的測溫電路

ID:442810 · 發表于 2018-12-13 11:38

熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
　　熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內的溫度。
溫度測量系統應用廣泛，涉及到各行各業的各個方面，在各種不同的領域中都占有重要的位置。從降低開放成本擴大適用范圍、系統運行的穩定性、可靠性出發，設計一種以Pt100鉑熱電阻為溫度信號采集元件的傳感器溫度測量系統。才測量系統不但可以測量室內的溫度，還可以測量液體等的溫度，在實際應用中，該系統運行穩定、可靠，電路設計簡單實用。
目錄

1 前言4
1．1 傳感器概況4
1．2 設計目的7
2 設計要求8
2．1 設計內容8
2．2 設計要求9
3 原器件清單10
4 Pt100熱電阻的測溫電路11
4．1 總體電路圖11
4．2 工作原理11
5 Pt100熱電阻測溫電路的原理及實現12
5．1 測溫電路的工作原理12
5．2 測溫電路的實現14
5．3 測量結果及結果分析15
6 制作過程及注意事項16
6．1 制作過程16
6．2 注意事項17
7 總結18
8 致謝19
參考文獻20

傳感器概況

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。
國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。
“傳感器”在新韋式大詞典中定義為： “從一個系統接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。根據這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式，所以不少學者也用“換能器－Transducer”來稱謂“傳感器－Sensor”。

傳感器的作用
　　人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。
　　新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。
　　在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎。
　　在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位。現代科學技術的發展，進入了許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 cm的粒子世界，縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應。此外，還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。
　　傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。
由此可見，傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。

傳感器的原理
傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產生400Hz的方波，經過TDA2030功率放大器即產生交流激磁功率電源，通過能源環形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓電源產生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV 級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動--靜環之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。
設計目的

1．通過對鉑電阻測溫的研究,采用以運算放大器電路為基礎的校正補償方法,結合算法簡單、校正精度高的線性插值"軟校正"方法,有效地解決鉑電阻測溫電路的非線性誤差問題,提高了測量精度。完成PT100電阻測溫電路的設計到完工的全過程。
2．通過本次課程設計，提高我們的動手能力，并且讓我們深刻了解到一個電路板從設計到完工的全部過程。提高我們的合作能力與團結互助精神。為我們以后的學習和工作打下堅實的基礎。
3．掌握控制系統的基本概念、基本理論，熟悉控制系統的安裝，調試與運行的基本知識。
4．在學習過程中，學會運用觀察、實驗、查閱資料等多種手段獲取信息，并運用比較、分類、歸納、概括等方法對信息進行加工。
5．能對自已的學習過程進行計劃、反思、評價和調控，提高自主學習的能力。
6.通過理論實踐一體化的學習過程，深入了解實踐與理論之間的相互關系。
7.通過各種實踐活動，思考優化實踐的過程和方法，并嘗試改進，嘗試運用技術和研究方法解決一些工程實踐問題。
8.通過實踐活動，培養質疑意識，具有分析、解決問題的能力。
2．1 設計內容

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器，由于其測量準確度高，測量范圍大，復現性和穩定性好，被廣泛應用于中溫（-200℃-650℃）范圍的溫度測量中。
PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50℃-600℃范圍內具有其他任何傳感器無可比擬的優勢，包括高精度，穩定性好，抗干擾能力強等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正。常用的PT電阻接法有兩種，分別為三線制和兩線制，本次課程實際采用兩線制。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路；一為恒流源式測溫電路。本次課程設計采用橋式測溫電路。
2．2 設計要求

1．按照實驗原理：以獲得被測量溫度的兩線制鉑熱電阻、一運算放大電路及一調零電阻；所述兩線制鉑熱電阻包括一正端子、一負端子，其特征在于，所述恒流源連接所述兩線制鉑熱電阻的正端子，所述運算放大電路的輸入端接所述兩線制鉑熱電阻的正端子，所述調零電阻的一端連接所述兩線制鉑熱電阻的負端子，其另一端接入電路中；該放大器的輸出電壓和熱電阻的電阻變化值成線性關系。
2．要求學生掌握原理后，自己設計出電路圖并將電路刻在板子上，經過一系列的刷漆，浸泡，焊接等過程完成PT100電阻測溫電路的實現。
3.掌握檢測儀表與傳感器的工作原理、使用和工程選用方法，能根據要求選用和使用常用傳感器。
4.掌握簡單控制系統分析、應用方法和初步具備單回路控制系統的能處理典型系統的一般故障，具有了解過程控制技術應用新動向和進一步學習過程控制技術的能力。

4 Pt100熱電阻的測溫電路

4．1 總體電路圖

圖1 兩線制接法橋式測溫電路

4．2 工作原理

測溫原理：二線制是用電橋法測量，最后給出的是溫度值與模擬量輸出值的關系。電流回路和電壓測量回路合二為1。

電路采用TL431和電位器VR1調節產生4.096∨的參考電源：采用R1，R2，VR2，PT100構成測量電橋（其中R1=R2,VR2為100Ω精密電阻），當PT100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個ｍＶ級的壓差信號，這個壓差信號經過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉換芯片。差動放大電路中R3=R4，R5=R6,放大倍數=R5/R3.運放采用單一5V供電。

5Pt100熱電阻的測溫電路的原理及實現

5．1 測溫電路的工作原理

1．工作原理

與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。
金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示，即
Rt=Rt0[1+α（t-t0）]
式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時對應電阻值；α為溫度系數。
半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為
Rt=AeB/t
式中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導體材料的結構的常數。
相比較而言，熱敏電阻的溫度系數更大，常溫下的電阻值更高（通常在數千歐以上），但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩定性好、性能可靠，在程控制中的應用極其廣泛。
2.熱電阻的信號連接方式

熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業用熱電阻安裝在生產現場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響。
目前熱電阻的引線主要有三種方式
○1二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合
○2三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業過程控制中的最常用的引線電阻。
○3四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。在本次設計中，實驗室采用了二線制接法。
3.熱電阻的結構形式

和熱電偶溫度傳感器相類似，工業上常用的熱電阻主要有普通裝配式熱電阻和鎧裝熱電阻兩種型式。
普通通裝配式熱電阻是由感溫體、有銹鋼外保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置級成，安裝固定裝置有固定外螺紋、活動法蘭盤、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護管等形式。鎧裝熱電阻外保護套管采用不銹鋼，內充高密度氧化物絕緣體，具有很強的抗污染性能和優良的機械強度。與前者相比，鎧裝熱電阻具有直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應時間快、使用壽命長的優點。
對于一些特殊的測溫場合，還可以選用一些專業型熱電阻，如，測量固體表面溫度可以選用端面熱電阻，在易燃易爆場合可以選用防爆型熱電阻，測量震動設備上的溫度可以選用帶有防震結構的熱電阻等。

5．2 測溫電路的實現

1.同幅度調整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大小；

2.改變R5/R3的比值可改變電壓信號的放大倍數，以便滿足設計者對溫度范圍的要求；

3.放大電路需接成負反饋方式，否則放大電路不能正常工作；

4.VR2為滑動變阻器，調節滑動變阻器的阻值大小可以改變溫度的零點設定，例如，PT100的零點溫度為0℃，即0℃時電阻為100Ω，當阻值調節到109.855Ω時，溫度的零點就被設在了25℃。測量滑動變阻器的阻值時須在沒有接入電路時調節，這是因為接入電路后測量的電阻值發生了改變；

5.理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號*放大倍數，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非由這樣的關系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為4.096*（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2))式中電阻值以電路工作時量取的為準。

6.電橋的正電源必須接穩定的參考基準，因為如果直接接VCC的話，當電網波動造成VCC發生波動時，運放輸出的信號也會發生改變，此時再到VCC未發生波動時建立的溫度-電阻表中去查表求值時就不正確了，這可以根據上式進行計算得知。

7.理論分析完后，將電路圖刻在板子上，然后經過刷漆，腐蝕，焊板，調試等一系列過程后，進行下一步測量結果。

5．3 測量結果及結果分析

一．檢測結果：

首先，把Rpt100=110Ω，R1=2000Ω，Rvr2=100Ω算出理論的輸出電壓值為0.0179V；

當溫度升高時Rpt100=111.5，R1=2000Ω，Rvr2=100Ω時，算出理論的輸出電壓值為0.0207V；

放大倍數為100倍，用萬用表測出輸出電壓為1.75mV；

將鉑電阻的溫度升高一些后，再測量出輸出電壓為1.98mV。

二．結果分析：

測量出的電壓輸出值與其理論值有些出入，分析原因可能及改進方法有以下幾點：

在萬用表測量其輸出電壓時，不同的時刻讀到的值不同，造成一定誤差。可采用更精確的測量裝置能減小誤差。
PT100引線電阻隨著溫度變化對實驗結果造成影響。實際應用中常采用三線制或四線制接線方式，但實驗室提供的PT100只有兩根引線，無法減小引線電阻變化的影響。
測溫電路本身的非線性等原因。此項誤差由電路設計保證，非常小，可以忽略不計。

6 制作過程及注意事項

6．1 制作過程

按照電路圖，利用protel99SE軟件畫出PCB圖，按照尺寸將PCB布線圖用復寫紙畫到覆銅板上；
用直徑為1.0mm的電鉆鉆頭在PCB板上按位鉆孔；
按照之前的布線軌跡，用細毛筆涂油漆的方法覆蓋所有布線軌跡，描好后晾干，為了漂亮，還可以用小刀把線條修整齊；
把以上步驟做好的板子放入三氯化鐵溶液中，因為腐蝕的速度與腐蝕液的濃度，溫度及腐蝕過程中采取抖動有關，因此為了保證制板質量及提高腐蝕速度，可以采用抖動和加熱的方法；
用溶液將板子腐蝕完畢后用自來水將板子沖洗干凈；
用洗甲水將板子上殘留的油漆洗干凈至露出覆銅；
按照電路圖，將相應的元件按照原圖焊接到板子的相應位置；
焊接完畢后，進行調試及測量，并對結果進行分析。

6．2 注意事項

一般來說，造成硬件問題的首要問題就是焊接了，也就是說焊接的好與壞直接響產品的正常運行。造成焊接質量不高的常見原因是:

1．焊錫用量過多,形成焊點的錫堆積；焊錫過少,不足以包裹焊點。

2．冷焊。焊接時烙鐵溫度過低或加熱時間不足,焊錫未完全熔化、浸潤、焊錫表面不光亮(不光滑),有細小裂紋。

3．夾松香焊接,焊錫與元器件或印刷板之間夾雜著一層松香,造成電連接不良。若夾雜加熱不足的松香,則焊點下有一層黃褐色松香膜；若加熱溫度太高,則焊點下有一層碳化松香的黑色膜。對于有加熱不足的松香膜的情況,可以用烙鐵進行補焊。對于已形成黑膜的,則要"吃"凈焊錫,清潔被焊元器件或印刷板表面,重新進行焊接才行。

4．焊錫連橋。指焊錫量過多,造成元器件的焊點之間短路。這在對超小元器件及細小印刷電路板進行焊接時要尤為注意。

5．焊劑過量,焊點明圍松香殘渣很多。當少量松香殘留時,可以用電烙鐵再輕輕加熱一下,讓松香揮發掉,也可以用蘸有無水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊劑。

6．焊點表面的焊錫形成尖銳的突尖。這多是由于加熱溫度不足或焊劑過少,以及烙鐵離開焊點時角度不當浩成的內。
　　最小系統的電路不工作，首先應該確認電源電壓是否正常。用電壓表測量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否符合電源電壓，常用的是5V左右。接下來就是檢測復位引腳的電壓是否正常，EA引腳的電壓要正常為5V左右。

還有就是要注意三氯化鐵溶液，雖然三氯化鐵溶液對人體皮膚不會有不良影響，但是如果三氯化鐵溶液滴到衣服或地面上那是難以洗掉的，所以使用時應該特別小心。

印刷板制作工藝存在的問題：

印刷版各線條應根據需要合理的布局，否則上油漆時就容易碰觸而造成短路現象，所以在上油漆時應該特別認真，避免兩條線接觸到。如果不小心兩條線接觸在了一起，則應該用小刀劃開。

總結

此次課程設計，是由兩個人共同完成的，由于本學期剛剛結束的課程———傳感器與檢測技術的學習，使我們對于熱電阻測溫度的設計電路更加熟悉，每一個步驟都貫穿著剛剛學過的傳感器的內容，使我了解到傳感器與檢測技術這門課程的重要性。

從剛開始的看到設計圖，到拿到元件、芯片及板子，再到自己親自動手制作PCB板，最后到焊完板子后的調試及測量，我們經歷了大概一周的設計、制作及焊接，在這個過程中，我們也遇到很多問題，但是并沒有氣餒，積極向老師和同學請教，并且一遍又一邊的重復實驗，直到調試成功。而且，我們的努力也沒有白費，通過認真嚴謹的設計態度給我們帶來了成功的喜悅。

通過這次傳感器課程設計，我掌握了設計一個傳感器電路的方法和基本步驟，實際解決了設計中出現的問題，增強了尋找問題，解決問題的能力。培養了我們的設計思維，增加了實際操作能力。此次傳感器課程設計的成功不僅幫助我們更好的掌握書本知識，尤其重要的是增強了我們的自信，培養了我們獨立思考的能力。