1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目 熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè) 姓名 學(xué)號(hào) 主要內(nèi)容：熱電阻的特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度最高。此次設(shè)計(jì)主要是利用鉑熱電阻的特性設(shè)計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)。常用電橋作熱電阻的測(cè)量電路，其中可設(shè)計(jì)二線式、三線式、四線式電橋連接測(cè)量電路來高精度的測(cè)量溫度。同時(shí)我們還可以利用A/D轉(zhuǎn)換器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量?；疽?1、按照實(shí)驗(yàn)原理：以獲得被測(cè)量溫度的兩線制鉑熱電阻、一運(yùn)算放大電路及一調(diào)零電阻；所述兩線制

2、鉑熱電阻包括一正端子、一負(fù)端子，所述運(yùn)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(diào)零電阻的一端連接所述兩線制鉑熱電阻的負(fù)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(guān)系。2、掌握傳感器的工作原理、使用和選用方法，能根據(jù)要求選用和使用常用傳感器。主要參考資料：1 夏路易,石宗義.電路原理圖設(shè)計(jì)教程M.北京希望電子出版社，2002.15-18.2 陳杰,黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.北京:高等教育出版社，2002.30-35.3 張琳娜,劉武發(fā).傳感檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用M.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.16-20.4 袁希光.傳感器手冊(cè)M.北京:北京國(guó)防工業(yè)出版社，19

3、86.16.完成期限 2012.6.252012.6.29 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 摘 要熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)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(cè)量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度 檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)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(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、 加工容易等特點(diǎn)。用于測(cè)量-200+500范圍內(nèi)的溫度。溫度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，涉及到各行各業(yè)的各個(gè)方

4、面，在各種不同的領(lǐng)域中都占有重要的位置。從降低開放成本擴(kuò)大適用范圍、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，設(shè)計(jì)一種以Pt100鉑熱電阻為溫度信號(hào)采集元件的傳感器溫度測(cè)量系統(tǒng)。才測(cè)量系統(tǒng)不但可以測(cè)量室內(nèi)的溫度，還可以測(cè)量液體等的溫度，在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用。關(guān)鍵詞：傳感器；Pt100熱電阻；溫度測(cè)量目 錄一 、設(shè)計(jì)要求1二、方案設(shè)計(jì)11、方案一12、方案二1三、傳感器工作原理2四、電路的工作原理3五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇31、單元電路設(shè)計(jì)32、參數(shù)計(jì)算53、器件選擇54、系統(tǒng)需要的元器件清單6六、總結(jié)6參考文獻(xiàn)8熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求功能要求: 1、利

5、用熱電阻將溫度轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)再進(jìn)過計(jì)算得到溫度值；2、利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量；3、利用鉑熱電阻作溫度傳感器的電橋和放大電指標(biāo)要求: 1、測(cè)溫范圍：-200600攝氏度；2、測(cè)溫精度：0.1攝氏度；3、 穩(wěn)定性：0.1攝氏度二、方案設(shè)計(jì)1、方案一設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過Pt100 熱電阻，通過檢測(cè)Pt100 上電壓的變化來?yè)Q算出溫度。此方案由測(cè)溫電路，電壓放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路及LCD顯示電路組成，溫度采集信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換單片機(jī)顯示電源圖1 方案一原理方框圖2、方案二采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100 熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換

6、算出溫度。 溫度鉑熱電阻放大電路穩(wěn)壓電路結(jié)果圖2方案二原理圖兩種方案的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上基本一致。但是，方案一采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)電路比較復(fù)雜，測(cè)量麻煩，故本次設(shè)計(jì)我們采取方案二。三、傳感器工作原理與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)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(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓涂梢詼y(cè)量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。下面以鉑電阻溫度傳感器為例：Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器

7、換算出相應(yīng)溫度。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即 （1）式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為： （2） 式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍只有-50300左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測(cè)和控制。金屬熱電阻一般適用于-200500范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，其特點(diǎn)是測(cè) 量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次

8、元件，通常需要把電阻信號(hào)通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的影響。采用pt100測(cè)溫一般有三種接線方式：二線制、三線制、四線制。 二線制接法:這種接法不考慮PT100電纜的導(dǎo)線電阻，將A/D采樣端與電流源的正極輸出端接在一起，這種接法由于沒有考慮測(cè)溫電纜的電阻，因此只能適用于測(cè)溫距離較近的場(chǎng)合。 三線制接法：這種接法增加了用于A/D采樣的補(bǔ)償線，三線制接法消除了連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差，這種接法適用于中等測(cè)量距離的場(chǎng)合。 四線制接法：這種接法不僅增加了A/D采樣補(bǔ)償線，還加了一條A/D對(duì)地

9、的補(bǔ)償線，這樣可以進(jìn)一步的減小測(cè)量誤差，可以用于測(cè)溫距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。四、電路的工作原理圖3 橋式測(cè)溫電路二線制是用電橋法測(cè)量，最后給出的是溫度值與模擬量輸出值的關(guān)系。電流回路和電壓測(cè)量回路合二為1。電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096的參考電源：采用R1，R2，VR2，PT100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中R1=R2,VR2為100精密電阻），當(dāng)PT100的電阻值和VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中R3=R4，R5=R6,放大倍數(shù)=R5/R3.運(yùn)放采用單一5V供電。五、單元

10、電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)LM324系列器件為帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出

11、端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。圖4 放大電路LM324系列器件為帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放

12、輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時(shí),或者說反饋電阻趨于無窮大時(shí)(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認(rèn)為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大(實(shí)際上是很大,如LM324運(yùn)放開環(huán)放大倍數(shù)為100dB，既10萬(wàn)倍)。此時(shí)運(yùn)放便形成一個(gè)電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平。圖5 穩(wěn)壓電路TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013等相同。2、參數(shù)計(jì)算PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以

13、近似用下式表示：在0650范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2) （3）在-2000范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3) （4）式中A、B、C 為常數(shù)，A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；由于它的電阻溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+T) （5）其中=0.00392, Ro為100(在0的電阻值),T為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。3、器件選擇1、電阻R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大?。?、電

14、阻R5/R3的比值可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍的要求；3、VR2為滑動(dòng)變阻器，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如，PT100的零點(diǎn)溫度為0，即0時(shí)電阻為100，當(dāng)阻值調(diào)節(jié)到109.855時(shí)，溫度的零點(diǎn)就被設(shè)在了25。測(cè)量滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)須在沒有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y(cè)量的電阻值發(fā)生了改變；4、運(yùn)算放大器一個(gè)，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)*放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時(shí)測(cè)量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非由這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)比理論值小很多，實(shí)際輸出信號(hào)為4.096*（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2)式中電阻值以電路

15、工作時(shí)量取的為準(zhǔn)。5、電源Vcc,電容C1和TL431。它的內(nèi)部含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí)，兩者對(duì)Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致Vo下降。顯見，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)Vo=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)R1=R2時(shí)，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。

16、4、系統(tǒng)需要的元器件清單表1 元器件清單序號(hào)元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1PT10012運(yùn)算放大器LM32413滑動(dòng)變阻器TL43114滑動(dòng)變阻器IN473315電容10316電容10417電容ROMH22K8電阻ROMH2100K9電阻ROMH41K六、總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)于熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電路更加熟悉，知道鉑電阻傳感器的特性，每一個(gè)步驟都貫穿著剛剛學(xué)過的傳感器的內(nèi)容，使我了解到傳感器這門課程的重要性。這個(gè)設(shè)計(jì)我們經(jīng)歷了大概一周的時(shí)間，通過認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)態(tài)度給我們帶來了成功的喜悅。通過這次傳感器課程設(shè)計(jì)，我掌握了設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器電路的方法和基本步驟，實(shí)際解決了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，增強(qiáng)了尋找

17、問題，解決問題的能力。培養(yǎng)了我們的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。此次傳感器課程設(shè)計(jì)的成功不僅幫助我們更好的掌握書本知識(shí)，尤其重要的是增強(qiáng)了我們的自信，培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考的能力。這次設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)，使我深刻地理解了實(shí)踐的重要性，理論無論多么熟悉，但是缺乏了實(shí)踐的理論是行不通的。這一次的實(shí)習(xí)，讓我們自己去發(fā)現(xiàn)問題，去想問題，去如何解決這個(gè)問題去親手操作，實(shí)踐，這個(gè)過程使得我覺得自己完成了一次質(zhì)的飛躍。希望在以后的實(shí)習(xí)中，我們的實(shí)習(xí)工作超出我們的知識(shí)能力范圍時(shí)，老師能多引導(dǎo)我們，多給我們講述相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。非常感謝指導(dǎo)老師對(duì)我的指導(dǎo)和教誨，希望我們自己也應(yīng)該主動(dòng)尋求老師的幫助。參考文獻(xiàn)1 夏路易,石宗義.電路原理圖設(shè)計(jì)教程. M.北京望電子出版社,2002.15-18.2 陳杰,黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2002.30-35.3 張琳娜,劉武發(fā).傳感檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用M.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1999.16-20.4 李刻杰.傳感技術(shù)M.北京:北京理工大學(xué)出版社,1989.10.5 張福學(xué).傳感器敏感元件大全M.北京:北京電子工業(yè)出版社,1990.18-23.6 袁希光.傳感器手冊(cè)M.北京:北京國(guó)防工業(yè)