铂电阻温度测量系统设计汇总

哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告

传感器及变送电路学年设计报告

铂电阻温度测量系统设计

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2013年12月27日

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哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告

目录

第1章 总体方案与精度设计 .......................................... 错误！未定义书签。 1.1 不同方案分析与比对 ............................................. 错误！未定义书签。 1.2 传感器设计 ............................................................. 错误！未定义书签。 第2章 总体方案设计 ...................................................... 错误！未定义书签。 2.1 方案一 ..................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 方案二 ..................................................................... 错误！未定义书签。 2.3 方案三 ..................................................................... 错误！未定义书签。 2.4 方案分析对比 ......................................................... 错误！未定义书签。 2.5 小结 ......................................................................................................... 15 第3章 具体设计与特性分析 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 传感器设计 ............................................................. 错误！未定义书签。 3.2 转换电路设计 ......................................................... 错误！未定义书签。 3.3 传感器总体分析 ..................................................... 错误！未定义书签。 3.4 使用条件和误差补偿 ............................................. 错误！未定义书签。 3.5 仿真实验 ................................................................. 错误！未定义书签。 3.6 小结 ......................................................................................................... 18 总结 .................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................ 错误！未定义书签。 附录 .................................................................................... 错误！未定义书签。

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第1章 总体方案与精度设计

1.1 不同方案分析与比对

方案一：Pt100 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，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温 度。

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Pt100 热电阻，当Pt100 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。

以78E51 单片机为处理器，采用恒流源为信号获取电路的测温方案，恒流源通过Pt100 热电阻，温度变化引起Pt100 电阻值的变化，从引起电压的变化， 放大后经AD 采用后，送由单片机处理，换算出相应温度。为了达到高精度、宽量程的测温 要求，选用的是AD 转换芯片是12 位串行AD 芯片MAX1270。

方案二：铂电阻传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。按照IEC751国际标准，现在常用的Pt1000(Ro=1 000 Ω)是以温度系数TCR=0．003 851为标准统一设计的铂电阻。

本温度测量系统采用三线制恒流源驱动法驱动铂电阻传感器。三线制恒流源驱动法是指用硬件电路消除铂电阻传感器的固定电阻(零度电阻)，直接测量传感器的电阻变化量。图l为三线制恒流源驱动法高精度测量方案，参考电阻与传感器串联连接，用恒流源驱动，电路各元件将产生相应的电压，传感器因温度变化部分电阻的电压可以由后面的放大电路和A／D转换器直接测量，并采用2次电压测量—交换驱动电流方向，在每个电流方向上各测量一次。其特点是直接测量传感器的电阻变化量，A／D转换器利用效率高，电路输出电压同电阻变化量成线性关系。传感器采用三线制接法能有效地消除导线

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电阻和自热效应的影响。利用单片机系统控制两次测量电压可以避免接线势垒电压及放大器、A／D转换器的失调与漂移产生的系统误差，还可以校准铂电阻传感器精度。恒流源与A／D转换器共用参考基准，这样根据A／D转换器的计量比率变换原理，可以消除参考基准不稳定产生的误差，不过对恒流源要求较高，电路结构较为复杂。为了进一步克服噪声和随机误差对测量精度和稳定度的影响，最后在上位机中采用MLS数值算法实现噪声抵消，大大提高了温度测量精度和稳定度。

一般pt1000的反应灵敏度比pt100的高，测量温度范围是-200--800度，pt1000适合测量小量程温度变化（原因是温度变化一度阻值增大和减小3.8欧姆，后级电路容易检测），pt100适合测量稍大量程的温度变化（原因是温度变化一度，阻值增大和减小0.38欧姆），有些场合二者皆适合。这次实验需要测得温度是0-100度，属于小量程的测温，因此选择Pt1000作为本课题的温度传感器。

1.2 传感器设计

1.铂的物理、化学性能非常稳定，它具有以下特性：

（1） 熔点高达1768℃，无论化学性质，还是电学性质都非常稳定。 （2） 富有延展性，容易加工成极细的金属丝。 （3） 电阻-温度特性呈良好的线形。

温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，通过研究发现，金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。

铂电阻的温度系数TCR

按IEC751国际标准，温度系数TCR=0.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）为统一设计型铂电阻。TCR=(R100-R0)/ (R0×100) 其中

传感器结构图

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