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1、燕山大学课程设计说明书燕山大学题目：基于铂电阻的的温度测量调理电路设计 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 08级检测2班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）检测技术与仪器设计题目基于铂电阻的温度测量调理电路设计设计技术参数采用Pt1000作为温度敏感元件，当温度在-10到300摄氏度变化时，输出信号的幅值为02.5V。设计要求1：完成题目的理论设计模型2：完成电路的multisim仿真工作量 1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；
2、2：提交一份电路原理图工作计划周一，查阅资料周二到周四，理论设计及计算机仿真周五，撰写设计说明书参考资料 1：基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 2：模拟电子技术 3：电路理论 4：数字电子技术指导教师签字 温江涛基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011年 6 月25 日 目 录前 言.4第一章 方案设计与论证.51.1 传感器.51.2 系统的工作原理.51.3 铂电阻温度/阻值性能的简要介绍.51.4 基于铂电阻的温度传感器.6第二章 温度测量调理电路设计.82.1 PT1000传感器特性和测温原理.82.2 测量电路 .82.3 恒流
3、源电路.92.4 运算放大器电路.92.5 输出偏置电路 .10第三章 电路仿真. .103.1 Multisim仿真软件介绍 .123.2 电路仿真 . .13第四章 电路原理图.15第五章 课程设计心得体会.16参考文献前言 运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器件。温度传感器充分应用这些模拟器件的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度测量系统，如果稍微改装可以做热水 器温度调节系统、生产温度监
4、控系统等等。本课题主要任务是完成铂电阻环境温度检测的电路设计，当温度在-10到300摄氏度变化时，输出信号的幅值为02.5V。第一章 方案设计与论证1.1 传感器 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、 物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如 PT100、PT1000 等。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方 便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂 铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-
5、康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。 由于本设计的任务是要求测量的范围为 -10300，采用线性度相对较好的 PT1000 作为本课题的温度
6、传感器，具体的型号为 WZP 型铂电阻，该传感器的测温范围从200650。1.2 系统的工作原理温度测量模拟电路是把当前 PT1000 热电阻传感器的电阻值，转换为容易测量的电压值，即通过采用Pt1000作为温度敏感元件，经过三线制恒流源电路、运算放大电路等环节，使当温度在-10到300摄氏度变化时，输出信号的幅值为02.5V。1.3铂电阻温度/阻值性能的简要介绍铂电阻具有测温范围大、准确度高、性能稳定、重复性好等特点，是一种比较理想的温度检测元件，在工业上被广泛应用。但铂电阻由于受到自身的误差、电阻测量的系统误差和引线、环境温度等影响，温度测量精度不能达到很高，使用时会受到一定的限制。传统的
7、三线制、四线制及恒流源铂电阻测温法， 其出发点主要是消除引线阻抗的影响，而对测量的系统误差和铂电阻本身的误差考虑较少。另外，对铂电阻测温电路，大多采用非线性校正方法，消除这些误差，以提高整体的测量精度，并减少大量生产时调校的工作量，满足批量生产时调校的可行性与方便性。铂电阻的温度电阻特性：当-200t0时，Rt=R01+At+Bt2 +C(t-100)t3 ;当0t850时，Rt=R0（1+At+Bt2）。Rt为在t时的电阻值，R0为在0时的电阻值。TCR=0.003851时的系数值为：A=3.908310-3-1，B=-5.77510-7-2，C=-4.18310-12-4。1.4 基于铂电
8、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. 本文根据铂电阻( Pt1000) 国际分度表函数的非线性特点,提出了一种在 0650 范围内补偿其非线性的方法,设计了专用的非线性补偿电路,在对电路补偿原理及效果进行理论分析和计算机模拟仿真的基础上,实际制作了该非线性补偿电路,并进行了现场测试. 铂电阻 Pt1000的
9、非线性补偿电路见下图：图为非平衡电桥非线性矫正方法。非平衡电桥结构简单，动态性好，广泛的应用于测温，测压等电路中。但常用的恒压源非平衡电桥的输出电压U 与铂电阻R 存在非线性问题。图2为恒压源非平衡电桥原理图，R1 、R2 、R为精密桥臂电阻；感温元件铂电阻Rt 其阻值随环境温度t而变化当电源输出电压E一定时，非平衡电桥输出电压为：显然， U与 Rt是非线性关系。产生非线性的原因是Rt 随着温度变化时，流过Rt 的电流，也发生了变化。如果在非平衡电桥Rt 的一臂加恒流源就可以解决非平衡桥带来的非线性问题。第二章 温度测量调理电路设计2.1 PT1000 传感器特性和测温原理电阻式温度传感器(R
10、TD, Resistance Temperature Detector)是指一种物质材料作成的电阻, 它会随温度的改变而改变电阻值。PT1000 温度传感器的测量范围广：-200+650，偏差小，响应时间短，还具有抗振 动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，其得到了广泛的应用，本设计即采用 PT1000 作为 温度传感器。 主要技术指标：1. 测温范围：-200650 摄氏度；2. 测温精度：0.1 摄氏度； 3. 稳定性：0.1 摄氏度 Pt1000 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器
11、换算出相 应温度。采用 Pt1000 测量温度一般有两种方案： 方案一：设计一个恒流源通过 Pt1000 热电阻，通过检测 Pt1000 上电压的变化来换算出温度。方案二：采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用 Pt1000 热电阻， 当 Pt1000 电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。 两种方案的区别只在于信号获取电路的不同，其原理上基本一致。2.2 测量电路 测量3 4端的电压差值，然后进行后续的放大即可，电路图中,下方为一howland电流泵用作恒流源，上方桥路中加入一电压跟随器，节点5和10分别为输出，输入端，以保证两点电压相等。计算得输出U=0
12、.5IR。 I为恒流源的电流值。由上式可知输出电压U与R成线性关系，克服了非平衡电桥的输出电压与铂电阻的非线性。同时U与引线电阻r无关。因此只要两半桥所使用的导线的材料，长度，截面积相同，就可以消除温漂及引线电阻对电桥输出电压的影响。2.3 恒流源电路从上述关于 PT1000 传感器测温原理可知，由 PT1000 构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，如若考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。上述两种电路的结构形式如下图所示。A 图单臂桥式： B 图恒流源式： 在本
13、次设计中我们首先考虑到可以利用图A，为解决其非线性问题激励源我们可以改变为恒流源，前面已经叙述怎样解决非线性以及导线电阻等问题，恒流源采用howland电流泵。如图所示： 恒流源输出为 根据本次课设任务要求，当Pt1000的温度在-10到300变化时，其阻值变化范围为：960.859欧姆到2120.515欧姆（参见附录A），流过Pt1000电流为0.416mA.2.4运算放大器电路输出结果为：2.5输出偏置电路 根据题设要求设计输出为，我们采用电阻链分压的方式，可以获得正负对称的。第三章 仿真电路3.1 仿真软件介绍 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的
14、仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。3.2 电路仿真 电路图如下：启动 Multisim 软件，按本次设计的原理图画出电路仿真图，根据元件属性设置相应元件参数。由于 PT1000 温度传感器在仿真过程中波动较大，使得显示的温度跳跃变化，不易于温度 显示与测量。因此在本次仿真中用一个可变电阻来代替 PT1000 热电阻,通过改变电阻阻值来反映 PT1000 温度测量。仿真结果为：温度电阻值电压值-10960.859 -299.972uv-9964.779 8.18mv-8968.697 16.655mv
15、-7972.614 25.129mv-6976.529 33.598mv-5980.444 42.067mv-4984.358 50.533mv-3988.270 58.996mv-2992.181 67.456mv-1996.091 75.915mv01000.000 84.371mv101039.025 168.779mv201077.935 252.95mv301116.729 336.883mv401155.408 420.556mv501193.971 503.969mv601232.419 587.144mv701270.751 670.06mv801308.968 752.738
16、mv901347.069 835.156mv1001385.055 917.314mv1101422.925 999.235mv1201460.680 1.081v1301498.319 1.612v1401535.843 1.244v1501573.251 1.324v1601610.544 1.405v1701647.721 1.486v1801684.783 1.566v1901721.729 1.646v2001758.560 1.725v2101795.275 1.805v2201831.875 1.884v2301868.359 1.963v2401904.728 2.041v25
17、01940.981 2.12v2601977.119 2.198v2702013.141 2.276v2802049.048 2.354v2902084.839 2.431v3002120.515 2.508v电阻温度关系图电压温度关系图 第四章 电路原理图 第五章 课程设计心得体会 本铂电阻温度测量调理电路设计， 是采用 PT1000 温度传感器经过恒流源输入、三级运算放大和输出偏置等环节的完成，将任务要求的输出幅值在电压表显示。经过多次的修改和调试测量，本设计基本符合设计要求，由于受到各种因素影响，系统难免不了带来一些误差，但通过调节和精确计算可以减小误差。 通过本次温度测量系统的设计，
18、我对温度测量调理电路有了进一步的熟悉和更深入的学习。 在整个设计的过程中，本设计的重点和难点是：怎样利用PT1000 的热电阻特性对温度传感器进行设计、恒流源线性输出的优越性以及输出偏置对非要求量的中和、信号如何放大及放大倍数的确定等等。 这次课程设计历时一周，从一开始的课题确定，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升。在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考。虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现整个系统设
19、计与最后调试，相关指标达到预期的要求，很好地完成了本次设计任务。 通过本次毕业设计，我了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握测控电路设计的原理及应用，为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心，并在这种能力上得到了比较充分的锻炼。参考文献1 塞尔吉欧佛朗哥著.刘树棠 朱茂林 荣玫译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计，西安交通大学出版社，2009年3版2 康华光.模拟电子技术，高等教育出版社，2005年5版3 邱关源.电路理论，高等教育出版社，1999年4版4 阎石.数字电子技术，高等教育出版社，2005年5版燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：该生学习态度 （认真 较认真 不认真） 该生迟到、早退现象 （有 无）该生依赖他人进行设计情况 （有 无）平时成绩： 指导教师签字： 2011 年 3 月 18 日图面及其它成绩：答辩小组评语：设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。 设计合理，实现设计要求。 实现了大部分设计要求。 没有完成设计要求，或者只实现了一小部分的设计要求。 答辩成绩： 组长签字： 2011 年6月 25 日课程设计综合成绩：答辩小组成员签字： 2011年 6 月 25日19
