熱電阻溫度傳感器課程設(shè)計

1、霾山尢修課程設(shè)計說明書題目：熱電阻溫度傳感器的設(shè)計學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院年級專業(yè)：學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：吳飛陳穎教師職稱：副教授副教授燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：自動化儀表系學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目熱電阻溫度傳感器的設(shè)計設(shè) 計 技 術(shù) 參 數(shù)1測量范圍：2輸出電壓：3熱電阻阻值：4電壓靈敏度：5精度：設(shè) 計 要 求1學(xué)習(xí)掌握溫度傳感器的相關(guān)知識；2熱電阻阻值測量電路設(shè)計；3分度表數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與查詢；4熱電阻溫度傳感器的碾件調(diào)試；5撰寫報告，完成答辯。工 作 量第18-19周（完成資料查閱，方案設(shè)計，電路仿真，硬件調(diào)試，測試及誤差分 析等內(nèi)容

2、）工 作 計 劃設(shè)計時間共10天。第1-2天 資料查閱（圖書館及網(wǎng)絡(luò)）；理論工作原理學(xué)習(xí)。 第3-4天設(shè)計方案制定。第5-6天ptloo熱電阻分度表數(shù)據(jù)庫設(shè)計。第7-8天傳感器硬件調(diào)試。第9-10天撰寫報告，完成答辯。參 考 資 料張玉龍等 傳感器電路設(shè)計手冊 中國計量出版社1989年楊寶清孫寶元傳感器及其應(yīng)用手冊2004單成祥傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用國防工業(yè)出版社1999年吳桂秀傳感器應(yīng)用制作入門浙江科學(xué)技術(shù)出版社2004指導(dǎo)教師簽字吳飛陳穎基層教學(xué)單位主任簽字謝平說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。年 月 口燕山大學(xué)課程設(shè)計評審意見表指導(dǎo)教師評語:正的充善；

3、£ »認(rèn)fl獨為合理令理工柞態(tài)唯較認(rèn)応理鋼析般方法社計一船不認(rèn)兀 1,、a較建成績：指導(dǎo)教師：2012 年 1 月 5 h答辯小組評語：正確改計結(jié)論嫌本正確不if怖成績：原理了解評閱人：2012年1月5日課程設(shè)計總成績：答辯小組成員簽字:2012 年 1 月 5 口冃錄摘要5第一章 溫度傳感器的組成及原理51溫度傳感器的組成52工作原理6第二章pt100的原理61 ptloo的基本結(jié)構(gòu)62 ptlo0的分度值63 ptloo的結(jié)構(gòu)74 ptlo0的性能7第三章 電路設(shè)計71采樣電路設(shè)計82放大電路設(shè)計83模擬仿真電路9第四章數(shù)據(jù)庫的建立10第五章參數(shù)及計算13參考文獻(xiàn) 14

4、熱電阻溫度傳感器的設(shè)摘要pt100是電阻式溫度傳感器的一種，電阻式溫度傳感器(rtd, resistance temperature detector) 種物質(zhì)材料做成的電阻，它會隨溫度的上升而改 變電阻值，如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為正電阻系數(shù)，如果 它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負(fù)電阻系數(shù)。大部分電阻式溫度傳 感器是以金屬做成的，其中以鉗(pt)做成的電阻式溫度傳感器,最為穩(wěn)定一耐 酸堿、不會變質(zhì)、相當(dāng)線性，最受工業(yè)界采用。本文主要介紹溫度傳感器主要特點及其工作原理。設(shè)計出其測溫電路， 并對其進(jìn)行仿真得出結(jié)論。主要設(shè)計的是大范圍的測溫，本文設(shè)計的傳感器 是測量-20ct

5、c50ctc的較大范圍傳感器。關(guān)鍵字:pt 100溫度傳感器 設(shè)計第一章溫度傳感器的組成及原理1溫度傳感器的組成溫度傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。但是由于溫度傳感器輸出信號 一般都很微弱，需要有信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路將其放大或變換為容易傳輸、處 理、記錄和顯示的形式。其中，敏感元件是指能夠靈敏地感受被測變量并做出響應(yīng)的元件，是傳 感器中能直接感受被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件輸 岀轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn) 換可以安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。因此， 信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路以及所需電源都應(yīng)作

6、為傳感器的組成部分。常見的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等， 它們分別與相應(yīng)的傳感器相配合。2工作原理熱電阻的測溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化 的特性。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉗和銅，現(xiàn)在已 開始釆用銀、猛和錯等材料制造熱電阻。熱電阻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。第二章 pt100的原理1 ptloo的基本結(jié)構(gòu)：ptloo是電阻時溫度傳感器的一種，電阻式溫度傳感器是一種物質(zhì)材料做成的 電阻，它會隨溫度的上升而改變電阻值，如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著 上升就稱為正電阻系數(shù)，如果它隨溫度的上升

7、而電阻值反而下降就稱為負(fù)電 阻系數(shù)。大部分電阻式溫度傳感器是以金屬做成的，其中以鉗(pt)做成的電阻 式溫度檢測器，最為穩(wěn)定一耐酸堿、不會變質(zhì)、相當(dāng)線性，最受工業(yè)界采用。pt1oo溫度傳感器是一種以鉗(pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻 系數(shù),其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：r二ro(l+a t)其中a =0. 00392, ro為100q (在0°c的電阻值)，t為攝氏溫度，因此鉗做 成的電阻式溫度傳感器，又稱為ptiooor=100 (1+0.00392t)r-100=0. 392tt= (r-100) /0.392t=2. 551 (r-100)2 ptloo的分度值：鉗熱

8、電阻是利用鉗絲的電阻值隨著溫度的變化而變化這一基本原理設(shè)計 和制作的，按0°c時的電阻值r(°c)的大小分為10歐姆(分度號為ptlo) 和100歐姆(分度號為ptloo)等，測溫范圍均為-200850°c. 10歐姆鉗熱 第6頁共14電阻的感溫原件是用較粗的鉗絲繞制而成，耐溫性能明顯優(yōu)于100歐姆的 鉗熱電阻，只要用于650°c以上的溫區(qū)；100歐姆鉗熱電阻主要用于650c 以下的溫區(qū)，雖也可用于650°c以上溫區(qū)，但在650°c以上溫區(qū)不允許有a 級誤差。100歐姆鉗熱電阻的的分辨率比10歐姆鉗熱屯阻的分辨率大10 倍，對二次儀表

9、的要求相應(yīng)地一個數(shù)量級，因此在650°c以下溫區(qū)測溫應(yīng)盡 量選用100歐姆鉗熱電阻。3 ptloo的結(jié)構(gòu)：本文雖然用現(xiàn)成的ptloo,但我們?nèi)匀挥斜匾纯雌浣Y(jié)構(gòu)。就結(jié)構(gòu)而言， 鉗熱電阻還可以分為工業(yè)鉗熱電阻和鎧裝鉗熱電阻。工業(yè)鉗熱電阻也叫裝 配鉗熱電阻，即是將鉗熱電阻感溫元件焊上引線組裝在一端封閉的金屬管 或陶瓷管內(nèi)，再安裝上接線盒而成；鎧裝鉗熱電阻是將鉗熱電阻元件，過 渡引線，絕緣粉組裝在不銹鋼管內(nèi)再經(jīng)模具拉實的整體，具有堅實，抗震， 可繞，線徑小，使用安裝方便等優(yōu)點。4 ptloo的性能pt100,電阻溫度系數(shù)為3.9x10-3 / °c, 0°c時電阻值為1

10、00 q,電阻變化 率為0.3851 q/°c。鉗電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍 廣，是中低溫區(qū)（-200650°c）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛 應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計。按 iec751 國際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù) tcr=o. 003851,ptl00（r0=100q ）ptlooo（r°二1000q）為統(tǒng)一設(shè)計型鉗電阻。鉗電阻傳感器有良好的長期穩(wěn)定性，典型實驗數(shù)據(jù)為：在400°c時持續(xù)30 時,0°c時的最大溫度漂移為0. 02°co第三章電路設(shè)計燕山大學(xué)課程設(shè)計說明書1.采樣電路設(shè)計采用3線制連接：

11、采用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恒定的，采 用 rl、r2、vr2、ptloo 構(gòu)成測量電橋（其中 rl = r2=10kq, vr2 為 100q 精密電阻），當(dāng)ptloo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，由此差壓信號轉(zhuǎn)換為溫度。熱電阻通過電阻相同的三根導(dǎo)線 和電橋連接其中兩條線分別接在相鄰的兩臂內(nèi)，當(dāng)溫度變化是，只要它們的 溫度系數(shù)相同，它們電阻的變化就不會影響電橋的狀態(tài)。+vccr1r2 a10kol. ?10kfirn100 c*vr100 ohm圖一惠斯頓電橋2放大電路設(shè)計放大器的選擇好壞對提高測量精度也十分關(guān)鍵，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，在放大器電路

12、精選中，一般在首級放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共 模抑制比等要求的大多采用自制的三運放結(jié)構(gòu)，女n下圖23所示，三運放中 由al、a2構(gòu)成前級對稱的同相、反相輸入放大器，后級為差動放大器，在 這個結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對稱性與一致性顯得尤為重 要，不僅包括外圍的電阻元件r1與r2、r3與r4、r5與r6,還包括a1 第8頁共14與a2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對器件要求相當(dāng)高。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它的內(nèi) 部核心結(jié)構(gòu)還是三運放，但是，采用微電子來解決剛才的參數(shù)匹配問題已不 是什么復(fù)雜的問題。vout該放大器的特點為，差

13、動輸入，單端輸出。電壓增益可由一個電阻rg 來確定，且增益連續(xù)可調(diào)，并有效地解決了后級負(fù)載對地連接的問題。a1、 a2組成了同相高輸入阻抗的差動輸入，差動輸出，并承擔(dān)了全部的增益放大 任務(wù)。由于電路結(jié)構(gòu)對稱，增益改變時，輸入阻抗不變。反饋電阻rl=r2=10k ,放大器al、a2的共增益、失調(diào)、漂移等誤差均得到 了相互補償.后級a3的增益為1 ,具有較高的共模抑制比和抗干擾能.3模擬仿真電路如圖所示，5q的電阻是導(dǎo)線電阻，12v電源是電橋電源。放大倍數(shù)主要由2 q的電阻決定。連接三個5 q電阻的100 q電阻為ptloo,另一個100 q電阻為 高精度電阻和ptloo在0°c的阻值相

14、同。橋路上的另兩個電阻選取較大電阻10k q,是為了使流過ptlo0的電流較小，否則電流較大，ptloo將自生產(chǎn)生熱量,是實際溫度改變，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。這樣，通過電橋產(chǎn)牛的小電壓，通過放大 電橋后轉(zhuǎn)化為可用電壓。繼而溫度的變化影響電阻的變化，電阻的變化導(dǎo)致電 壓變化。由電壓的變化可求得溫度的變化，故達(dá)到熱電阻測溫的效果。圖三模擬仿真電路第四章數(shù)據(jù)庫的建立數(shù)據(jù)庫的設(shè)計對應(yīng)的溫度對于ptioo會造成固定阻值變化，一個固定 的溫度對應(yīng)一個阻值。一個固定的阻值對應(yīng)一個固定的輸出電壓，該表中的電 壓是由已知電阻通過仿真電路所得。由于本電路可測得溫度范圍較廣，測量數(shù) 據(jù)較多，所以每隔10°c或者

15、5°c對其電壓進(jìn)行測量。對于出現(xiàn)在每10°c中間 的電壓數(shù)據(jù)，可通過線性得到。溫度°c電阻q電壓v溫度°c電阻q電壓v-20018. 49-1.061-2590. 19-0. 127-19022. 80-1.005-2092. 16-0. 101-18027. 08-0. 948-1594. 12-0. 076-17031.32-0. 892-1096. 09-0. 051-16035. 53-0. 838-598. 04-0. 025-15039.71-0. 7830100. 000. 000-14043.87-0. 7285101.950. 005-

16、1304&00-0. 67510103.900. 050-12052. 11-0, 62115105. 850. 075-11056. 19-0. 56820107. 790. 100-10060.25-0.51525109.730. 125-9064. 30-0. 46330111.670. 150-8068. 33-0.41035113.610. 175-7072. 33-0. 35840115. 540. 200-6076. 33-0. 30645117.470. 225-5080.31-0. 25550119. 400. 250-4582. 29-0. 22960123. 24

17、0. 299-4084. 27-0. 20370127.070. 349-3586. 25-0. 17880130. 890. 398-3088. 22-0. 15290134.700. 446溫度°c電阻q電壓v溫度°c電阻q電壓v10013& 500. 495300212. 021.430110142.290. 544310215. 571.475120146. 060. 592320219. 121.520130149. 820.640330222. 651.564140153. 580. 688340226. 171.609150157.310. 73635

18、0229. 671.653160161.040. 783360233. 171.697170164.040. 822370236. 651. 741180168. 460. 878380240. 131. 784190172.160. 925390243. 591.828200175.840. 972400247. 041.871210179. 511.019410250. 481.914220183. 171.065420253. 901.957230186. 821. 111430257. 322. 000240190. 451. 157440260. 722. 042250194. 07

19、1.203450264. 112. 085260197.691.249460267. 492. 127270201.291.295470270. 862. 169280204. 881.340480274. 222.21129020& 451.385490277. 562. 253500280. 902. 294表：溫度，電阻，電壓對應(yīng)表對應(yīng)的溫度對于ptioo會造成固定阻值變化，一個固定的溫度對應(yīng)一個 阻值。一個i古i定的阻值對應(yīng)一個i古i定的輸岀電壓，該表中的電壓是由已知電阻 通過仿真電路所得。由于本電路可測得溫度范圍較廣，測量數(shù)據(jù)較多，所以每 隔10°c或者5°c對其電壓進(jìn)行測量。對于出現(xiàn)在每10°c中