鉑電阻測溫說明書

1、一設計說明：設計思路:Pt1000鉑電阻測溫系統(tǒng)是以鉑電阻為敏感元件,其電阻值的變化可反映外界溫度變化。通過信號調(diào)理電路測量鉑電阻上的電信號,即可得到該溫度下的鉑電阻阻值,再根據(jù)鉑電阻的分度表即可知道當前的測量溫度。設計溫度測量調(diào)理電路時可將Pt1000鉑電阻作為負載元件，通過測量其兩端電壓即可得到不同溫度下對應的電壓信號的關(guān)系。再經(jīng)過后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示而得到相應溫度顯示。而本文只著重討論基于鉑電阻的溫度測量調(diào)理電路設計，其他后續(xù)處理顯示電路不再贅述。二.電路總體設計鉑電阻的溫度測量調(diào)理電路設計主要完成信號的采集與轉(zhuǎn)化工作。當外界溫度變化鉑電阻值隨之而改變，為測得相應精確的電壓信號的變化

2、值，則需要一個穩(wěn)定的恒流源來供電和一個相應的信號調(diào)理電路。利用恒流源驅(qū)動鉑電阻，即可將溫度變化轉(zhuǎn)換成鉑電阻的電壓變化，而信號調(diào)理電路則用來精確測量鉑電阻上的電壓變化。其結(jié)構(gòu)框圖如下所示：圖（1）調(diào)理電路整體框圖三.電路各部分環(huán)節(jié)設計1.恒流源設計恒流源是輸出電流保持不變的電流源，而理想的恒流源為： a)不因負載(輸出電壓)變化而改變。 b)不因環(huán)境溫度變化而改變。 c)內(nèi)阻為無限大。 因此設計恒流源最關(guān)鍵的是滿足上述三點要求。常用設計恒流源的方法為：1) MOSFET管設計鏡像電流源。2)運算放大器和MOS管集成設計恒流源。3)運算放大器設計恒流源。(1

3、)MOS管設計鏡像電流源選用參數(shù)盡可能相同的三個特性相同的MOSFET構(gòu)成以下電路：由于特性相同，且工作在放大區(qū)，當MOSFET的時，輸出電流為：有上式可知電流源的表達式需要確定的三個參數(shù)即：本證導電因子，柵源電壓，開啟電壓。而柵源電壓確定相對繁瑣。電流輸出與負載無關(guān)，且輸出電阻。（2）運算放大器和MOSFET管集成設計恒流源。在運算放大器和MOSFET集成設計電路中避免的BJT的基電極分流影響而，采用的MOSFET管的柵極電流。這種電流源電路具有低噪聲的特性,多用于要求低噪聲的場合。具體電路圖設計如下圖所示：上圖運算放大器為電壓跟隨器，因此電流輸出的表達式為： （）只需確定好電壓基準后，通過

4、改變的值即可得到需要的電流輸出。 3）運算放大器設計恒流源 由于集成運放參數(shù)受溫度影響相對于晶體管和場效應管較小，因此在溫度波動較大的場合用集成放大器比較容易滿足設計要求。并且由集成運放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點，采用雙運放設計恒流源如下圖所示：其中雙運放采用OP07AZ型低噪聲、低失調(diào)、高精度運算放大器,輸入電壓范圍大,共模抑制比高.能保持極好的線性和增益精度. 為同相放大器，為反相器；為的輸出，為的輸入。其中匹配電阻滿足：時有以下關(guān)系：因此可通過調(diào)整電阻的阻值來調(diào)整需要的電流的大小。該電路需要注意以下問題：其中肯定會隨負載的變化而變化，從而就會影響恒流源的穩(wěn)定性。為確保

5、不隨負載變化，R1，R2，R3，R4這4個電阻的選取原則是失配要盡量的小，且每對電阻的失配大小方向要一致。實際中，可以對大量同一批次的精密電阻進行篩選，選出其中阻值接近的4個電阻。綜述：由于集成運放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好、恒流性能更高的優(yōu)點，因此選用方案3運算放大器設計恒流源。2.信號調(diào)理電路設計 信號處理電路環(huán)節(jié)要求可以精確的測量鉑電阻的隨溫度變化而引起的電信號的變化，選用上述恒流源作為驅(qū)動電流，因此設計調(diào)理電路來精確測量鉑電阻的電壓信號即可滿足要求。 常用的信號調(diào)理電路可用：1）恒流源電橋 2）運算放大器?，F(xiàn)在分析兩種方案的特點。（1） 恒流源電橋調(diào)理電路設計：電橋電路可以用來測量微弱

6、信號的變化，這里采用恒流源單臂電橋來設計電路如下圖所示：圖（5）恒流源電橋信號調(diào)理電路供電電流源可用上述圖（5）恒流源來供電，供電電源為，通過各臂的電流為、。當時有如下關(guān)系：規(guī)定初始時刻為平衡狀態(tài)，而且令，（其中為的鉑的電阻值，可以通過分度表得到）。此時輸出，當鉑電阻變化為時，電橋輸出為：由上式可知存在非線性誤差，但與恒壓源相比非線性減少了。（2）集成運放調(diào)理電路設計：圖（6）集成電路調(diào)理電路集成運放信號調(diào)理電路上圖（6）所示，放大器UA3對參考電阻的端電壓進行電壓跟隨得到差分放大器的反響輸入端電壓信號：而放大器UA4對溫度傳感器Rt(Pt1000)的端電壓同相放大2倍后得到差分放大器的正向輸

7、入端電壓信號：對兩端電壓信號采集得到調(diào)理電路輸出電壓為：當初始狀態(tài)時，令參考電阻，即可確保差分輸出。當鉑電阻隨溫度變化為時，則此時電壓輸出為：由此可知差分輸出是關(guān)于的線性函數(shù)，不存在線性誤差。其中，電阻和的選擇原則與之前恒流源分析中的比例電阻選擇原則相同，通過對同大量同一批次的普通標稱電阻進行篩選，從中選取阻值最接近的。綜述：集成運放設計的調(diào)理電路的線性特性比電橋電路好，不存在線性誤差，而且選用的運算放大器OP07是一種OP07AZ型低噪聲、低失調(diào)、高精度運算放大器，因此選用在此選用集成運放調(diào)理電路設計。四整體電路仿真與分析1.調(diào)理電路與器件參數(shù)的確定由前面分析可知選用集成運放設計恒流源和信號

8、調(diào)理電路構(gòu)成最后的調(diào)理電路為最佳方案，整體電路圖如下圖所示:圖（7）調(diào)理電路整體設計從同一批次中選取選取電阻,且每對電阻的失配大小方向要一致。選取供電電源，基準電阻，以確保恒流源輸出的電流為2.155mA,基準電阻。以便確保電壓的輸出范圍為02.5V。恒流源輸出為：2.仿真電路設計選取上述元件參數(shù)，用Multisim進行電路仿真，實際的仿真電路如下圖所示：圖（8）仿真電路設計用Multisim仿真過程中鉑電阻選用分度表中每個溫度對應的電阻值，用示波器進行觀察波形，并記錄電壓信號。3.仿真數(shù)據(jù)記錄考慮到仿真精度與實際操作，本文選取Pt1000鉑電阻分度表的部分數(shù)據(jù)進行仿真。選取每隔5取一溫度值，

9、同時改變相應的鉑電阻值，進行仿真獲得了63組仿真數(shù)據(jù)如下表所示：溫度電壓輸出V 電阻值溫度電壓輸出V電阻值溫度電壓輸出V電阻值-100.000 960.859 950.874 1366.077 2001.720 1758.560 -50.042 980.444 1000.914 1385.055 2051.759 1776.932 00.084 1000.000 1050.955 1404.005 2101.799 1795.275 50.127 1019.527 1100.996 1422.925 2151.838 1813.590 100.169 1039.025 1151.037 144

10、1.817 2201.878 1831.875 150.211 1058.495 1201.078 1460.680 2251.917 1850.132 200.252 1077.935 1251.118 1479.514 2301.956 1868.359 250.294 1097.347 1301.159 1498.319 2351.996 1886.558 300.336 1116.729 1351.199 1517.096 2402.035 1904.728 350.378 1136.083 1401.240 1535.843 2452.074 1922.869 400.419 115

11、5.408 1451.280 1554.562 2502.113 1940.981 450.461 1174.704 1501.320 1573.251 2552.152 1959.065 500.503 1193.971 1551.360 1591.912 2602.191 1977.119 550.544 1213.210 1601.401 1610.544 2652.230 1995.145 600.585 1232.419 1651.441 1629.147 2702.269 2013.141 650.627 1251.600 1701.481 1647.721 2752.307 20

12、31.109 700.668 1270.751 1751.521 1666.267 2802.346 2049.048 750.709 1289.874 1801.561 1684.783 2852.385 2066.958 800.750 1308.968 1851.601 1703.271 2902.423 2084.839 850.792 1328.033 1901.640 1721.729 2952.462 2102.692 900.833 1347.069 1951.680 1740.159 3002.500 2120.515 表一：調(diào)理電路不同溫度對應電壓統(tǒng)計表4.圖形繪制(1)電

13、壓電阻隨溫度的變化的曲線圖:為進一步分析電壓信號隨溫度的變化關(guān)系與鉑電阻阻值隨溫度變化關(guān)系兩者之間的聯(lián)系，下面對上述實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，來具體形象的分析上述結(jié)論。運用Matlab對以上數(shù)據(jù)進行曲線擬合得到如下曲線圖形：圖（9）電壓電阻隨溫度變化的函數(shù) 從圖（9）分析可知電壓輸出、鉑電阻阻值隨溫度變化近似為線性關(guān)系。為進一步分析兩者之間的關(guān)系，將上面的曲線建立到一個坐標中若下圖所示： 圖（10）不同電壓電阻對應的曲線圖由圖（10）分析可知仿真曲線可知電壓輸出和鉑電阻阻值隨溫度變化成較好的線性關(guān)系(2)電壓變化量U、電阻變化量R隨溫度變化的曲線圖：圖（11）電壓變化量U、電阻變化量R隨溫度變化的

14、曲線圖由圖（11）分析可知電壓變化量和電流變量近似為平行關(guān)系，由此可知函數(shù)關(guān)系式成立，實驗仿真達到精度要求。為量化分析電壓和電阻與溫度的關(guān)系，下面將具體分析一下電壓和電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系。5.線性函數(shù)擬合（1）電阻輸出隨溫度變化的曲線線性擬合 General model:R(t) = a*t*t+b*t+cCoefficients (with 95% confidence bounds):a = -0.0005775b = 3.908c = 1000Goodness of fit:SSE: 3.877e-006和方差、誤差平方和R-square: 1確定系數(shù)由上述擬合結(jié)果可知電阻阻值函數(shù)是隨溫

15、度變化的二階函數(shù)，但是其二階項系數(shù)a = -0.0005775相對于一階系數(shù)b和常數(shù)項c較小，可近似為線性函數(shù)。因此電阻變化隨溫度變化的函數(shù)為：而其Pt1000鉑電阻溫度電阻特性是：從上述分析可知鉑電阻并非為絕對的線性關(guān)系。（2）電壓輸出隨溫度變化的曲線線性擬合 Linear model Poly1:U(t) = a*t+ bCoefficients (with 95% confidence bounds):a = 0.008065 b = 0.1003 Goodness of fit:SSE: 0.005333和方差、誤差平方和R-square: 0.9998確定系數(shù) 由擬合結(jié)果可知：SSE

16、=0.005333，其值越接近于0說明模型選擇和擬合更好，數(shù)據(jù)預測也越成功。R-square=0.9998，其實“確定系數(shù)”是通過數(shù)據(jù)的變化來表征一個擬合的好壞。 “確定系數(shù)”的正常取值范圍為0 1，越接近1，表明方程U(t)對t的解釋能力越強，這個模型對數(shù)據(jù)擬合的也較好。因此電壓隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系為：進而可知道根據(jù)電壓輸出可求出溫度:當測得電壓以后可根據(jù)上式求出對應的溫度值。五誤差分析 通過上述仿真分析可知，鉑電阻的阻值隨溫度變化并非為線性關(guān)系，因此造成電壓與溫度同樣并非完全的線性關(guān)系。從而在U(t)線性擬合的結(jié)果發(fā)現(xiàn)確定系數(shù)R-square=0.9998并不為1。說明上式存在一定的線性誤

17、差。若在高精度的要求場合下，可對鉑電阻傳感器進行線性補償，從而確保電壓輸出與溫度為完全的線性關(guān)系。實際上在匹配電阻時，參數(shù)不可能完全一樣，而電阻式適配的影響在一些場合下會大于線性誤差。而運算放大器的性能受到封裝和工藝的影響因此其并非理想的運放。而上述的公式的推導是在電阻匹配和運放假設為理想條件下完成的。因此實際的仿真結(jié)果中也會存在一定的誤差。六結(jié)論 本文電路設計分析了三種恒流源設計方案，兩種信號調(diào)理電路設計方案。從中選取運算放大器設計恒流源和信號調(diào)理電路，通過電壓與電阻匹配很好的滿足了電壓信號為0-2.5V的設計要求。后續(xù)電路無需考慮信號的放大電路的設計，電路設計簡單可靠，保障了設計的精度。七總結(jié)為期一周的電路設計實驗，在這一周忙碌而又充實的學習中,深刻體會到在課堂上學習的理論知識與實際的工程實踐相差甚遠。實踐運用的過程中考慮的實際因素是課堂知識所缺乏的。例如運算放大器各種型號的選用，其工藝與封裝的性能要求，需要根據(jù)不同的場合選用不同型號。這些工程知識只有在實踐運用于設計電路的過程中才會考慮到。再者工程實踐中，例如恒流源的設計方案，往往面臨多個選擇。