PT100溫度感測器/鉑電阻測溫電路的線性化設(shè)計方法

發(fā)布時間:2008/6/3 0:00:00 訪問次數(shù):1682

『電阻式溫度檢測器』(rtd,resistance temperature detector)－一種物質(zhì)材料作成的電阻,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係數(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)。大部分電阻式溫度檢測器是以金屬作成的,其中以白金(pt)作成的電阻式溫度檢測器,最為穩(wěn)定－耐酸堿、不會變質(zhì)、相當(dāng)線性...,最受工業(yè)界采用。

pt100溫度感測器是一種以白金(pt)作成的電阻式溫度檢測器,屬于正電阻系數(shù),其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：
r=ro(1+αt)　其中α=0.00392,ro為100ω(在0℃的電阻值),t為攝氏溫度
因此白金作成的電阻式溫度檢測器,又稱為pt100。

1：vo=2.55ma ×100(1+0.00392t)=0.255+t/1000 。
2：量測vo時,不可分出任何電流,否則量測值會不準(zhǔn)。

電路分析

由于一般電源供應(yīng)較多零件之后,電源是帶雜訊的,因此我們使用齊納二極體作為穩(wěn)壓零件,由于7.2v齊納二極體的作用,使得1k電阻和5k可變電阻之電壓和為6.5v,靠5k可變電阻的調(diào)整可決定電晶體的射(集極)極電流,而我們須將集極電流調(diào)為2.55ma,使得量測電壓v如箭頭所示為0.255+t/1000。
其后的非反向放大器,輸入電阻幾乎無限大,同時又放大10倍,使得運算放大器輸出為2.55+t/100。
6v齊納二極體的作用如7.2v齊納二極體的作用,我們利用它調(diào)出2.55v,因此電壓追隨器的輸出電壓v1亦為2.55v。
其后差動放大器之輸出為vo=10(v2-v1)=10(2.55+t/100-2.55)=t/10,如果現(xiàn)在室溫為25℃,則輸出電壓為2.5v。

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摘要：介紹一種基于a/d轉(zhuǎn)換原理的鉑電阻測溫的非線性校正方法，分析了鉑電阻線性測溫的原理，并給出了a/d轉(zhuǎn)換器7135與單片機89c51接口電路及試驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉑電阻，測溫電路設(shè)計，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換非線性校正，數(shù)據(jù)采集

一、引言

鉑電阻溫度傳感器，因其測量范圍大，復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性強等特點而被廣泛使用。

在精密測量系統(tǒng)中，鉑電阻測溫系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：鉑電阻信號通常通過橋式電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大及a/d轉(zhuǎn)換后送微處理器進行處理。為了能對鉑電阻測溫的非線性進行校正，作者利用雙積分a/d轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計了一種高精度的鉑電阻測溫非線性校正方案。實踐證明，該方法不僅性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，而且在0～200℃范圍內(nèi)準(zhǔn)確度可達到0.15%fs±4字。

二、非線性校正原理

1、非線性a/d轉(zhuǎn)換原理

因為鉑電阻經(jīng)橋路檢測后，其輸出電壓um與被測溫度q之間具有函數(shù)關(guān)系：

式中：a，b為常系數(shù)。
如果能構(gòu)造成一個函數(shù)電路，使其具有與上式相同的函數(shù)形式：

同時使um=un，則容易得出q=t（這里，“q=t”僅有數(shù)學(xué)意義，實際上它們的量綱是不一樣的）。這樣，在um=un的前提下，溫度q的測量問題就轉(zhuǎn)化為對時間t的測量了。

以上是本文闡述的以變量變換的形式實現(xiàn)傳感器非線性校正的設(shè)計思想。這里t的量綱為時間，其測量過程是通過雙積分a/d轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。雙斜率積分轉(zhuǎn)換表達為：

(1)

式中：uin—a/d轉(zhuǎn)換時模擬輸入電壓，

t1—a/d轉(zhuǎn)換過程中正向積分時間，

t2—a/d轉(zhuǎn)換過程中反向積分時間，

uref—a/d轉(zhuǎn)換時參考輸入電壓。

當(dāng)uref為定值時，uin與t2具有線性關(guān)系，因此這種情況下可以認(rèn)為a/d輸出結(jié)果為：

t2 = t1uin / uref .

假定uref(t)為時間t的函數(shù)：uref(t)=m+nt (2)

其中：m，n為待定常系數(shù)。
a/d轉(zhuǎn)換后的輸出結(jié)果若能完全補償鉑電阻溫度非線性，則有：uin=aq+bq2 (3)

故將式（2）和式（3）代入式（1），
假設(shè)：at1=m，bt1=n/2,
則有：t2與q在數(shù)值上大小相等，即t2=q，可見實現(xiàn)了鉑電阻的溫度與數(shù)字量線性轉(zhuǎn)換。

可以看出，在a/d轉(zhuǎn)換過程中，模擬電壓輸入與數(shù)字量輸出之間不是線性關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系剛好與rq—q關(guān)系相反，當(dāng)其特性實現(xiàn)了相互完全補償時，就能獲得線性q/t2轉(zhuǎn)換。顯然，利用雙積分a/d轉(zhuǎn)換實現(xiàn)非線性校正的關(guān)鍵是應(yīng)能滿足式（3）所表征的函數(shù)關(guān)系。本方案采用rc回路極其簡單地達到了該目的。

2. 高精度 a/d轉(zhuǎn)換器icl7135

鉑電阻測溫電路線性化設(shè)計的實現(xiàn)采用了4位半雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器icl7135。icl7135每一個轉(zhuǎn)換周期分為三個階段：自動調(diào)零階段、被測電壓積分階段、對基準(zhǔn)電壓uref進行反積分階段。下面結(jié)合鉑電阻溫度測量分析icl7135的工作過程：

(1)正向積分階段

icl7135與89c52接口電路原理圖如圖2所示。在此階段，icl7135對uin進行定時積分，固定時間t1=10000t0（t0為時鐘周期）。積分器的輸出電壓為：
(4)

同時，在此階段基準(zhǔn)電容c對電阻r放