传感器参数检定 PT100测温 PT100电阻标定(11页).doc

-传感器参数检定 课程设计实验报告学院：机电与信息工程学院年级： 2010级 专业：测控技术与仪器 摘 要本文首先简要介绍铂电阻PT100的特性以及测温的方法，在此基础上阐述了基于PT100的温度测量系统设计。在本设计中，是以铂电阻PT100作为温度传感器，采用恒流测温的方法，通过放大器进行温度信号的转换，将0300温度等价到02V电压输出。本设计采用了四线制铂电阻温度测量电路，通过对电路的设计，减小了测量电路及PT100自身的误差，使温控精度在0300范围内准确测量。关键词：PT100 温度测量 仪用放大器AbstractThis article briefly describes the characteristics of PT100 platinum resistance and temperature measurement method, on the basis it describes the design of temperature measurement system based on PT100. In this design, it is use a PT100 platinum resistance as temperature sensor, in order to acquisition the temperature signal, it use of constant-current temperature measurement method and Amplifier, In addition, it designs a clock circuit modules to achieve real-time measurement of temperature.It can still improve the perform used four-wire temperature circuit and reduce the measurement eror. Keywords: PT100 Temperature Measures Instrument amplifier 前言热电偶是目前接触式测温中应用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-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0300，综合后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器。系统的工作原理首先用标准热电阻（PT100）对普通PT100进行标定，准确得到普通PT100的阻值与温度的关系；接下来设计放大电路，把PT100阻值的变化转换成02V电压输出；再经过A/D转换，经过单片机简单处理，再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。一、课题设计内容和要求 设计内容：首先用标准热电阻（PT100）对普通PT100进行标定，准确得到普通PT100的阻值与温度的关系；接下来设计放大电路，把PT100阻值的变化转换成02V电压输出；再经过A/D转换，经过单片机简单处理，进行相应的显示。主要要求：0300对应02V、掌握恒流源的设计、区别各种放大电路的利弊、掌握四线制PT100的接线、以及动手绕制热电阻（R=50）。二、硬件设计一、对普通PT100进行标定首先需要对普通PT100进行标定，恒温槽能在工作区域内提供恒定稳定的温度，标定方法如下：1、恒温槽加热，达到预定的温度；2、将标准的PT100和普通四线制PT100分别插入两只试管；再分别深入恒温槽中，然后同时记录两者的电阻值；3、根据标准PT100的电阻值便能方便的测得普通四线制PT100所处的环境温度；4、根据温度T和电阻R绘制图线，得到函数关系式；5、重复测量，得到回程误差等静态参数。实验测得平均数据如下：数据1恒温槽温度40455057585960标准PT100温度40.4645.5850.4457.1658.3559.3160.36标准PT100阻值29.3055429.864430.34831.014731.133231.22831.3326普通pt100阻值116.1117.998119.872122.529122.882123.256123.663数据2恒温槽温度65708090100110120标准PT100温度65.2970.180.0889.9199.72109.64119.52标准PT100阻值31.820332.29633.279234.246535.20836.176637.1396普通pt100阻值125.546127.392131.198134.954138.694142.815146.55运用matlab得到标准PT100电阻R与温度T关系如下由图可以看出，标准PT100的温度T与电阻R成线性关系；并且由matlab计算得数据关系近似为R=0.1032T+25.2037；说明此恒温槽温度稳定，测量结果误差小，可进行普通四线制PT100的标定。运用matlab得到普通四线制PT100电阻R与温度T关系如下由图可以看出，四线制PT100的温度T与电阻R成二次关系且具有良好的线性关系；并且由matlab计算得数据关系近似为R=0.0001t2+0.3677t+101.0601；当温度为零摄氏度时，PT100的实际电阻为101.0601。三、运放电路的设计1、考虑到传统的差分放大电路，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。假定反相输入阻抗等于 100 k，而同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 k。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。）另外，差分放大电路要求电阻的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。例如，当增益等于 1 时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 的不平衡将使CMR下降 6 dB。所以我们采用仪用放大电路，可以避免以上缺陷。放大电路如下：输出电压V=(V2-V1)(1+2)()2、为了使实验结果更为精确，避免电阻不精确带来的影响，我们采用恒流源给PT100供电；同时为了保证0是输出电压0V，采用PT100与100的电阻串联，把两者的电压相减，即可得到实验要求。具体电路如下：恒流源部分：总的电路图：将此四线制PT100插入恒温槽中，得到不同温度下的电阻值如下:PT100阻值第一次输出电压第二次输出电压第三次输出电压100-0.175-0.189-0.1946105-0.085-0.0915-0.0984110-0.0130.006-0.0021150.11090.10290.09491200.20790.19920.19151250.30530.29640.28741300.40160.39320.38341350.49980.48940.481400.59620.58560.57571450.69220.6820.67211500.7810.77820.76861550.87380.87430.86491600.96910.97110.96041651.06961.06651.05651701.16951.16211.15231751.26041.25831.24811801.36571.35551.34361851.4531.45221.43851901.5411.5451.5371951.63711.64051.63252001.74481.73741.72812051.85091.83321.8232101.94431.92881.91622121.98221.96831.9521应用matlab得到V-R关系如下图所示得到输出电压V与PT100电阻R的关系式为V=0.0193R-2.1066，既在0220度范围内，PT100的线性度非常好。考虑到电路本身发热和其他因素，需重复测量其电压V与电阻R的关系，既电阻在0212做连续多次变化，得到如下数据：输出电压1输出电压2输出电压3重复性误差1重复性误差2重复性误差3-0.175-0.189-0.19460.00000%-8.00000%-11.20000%-0.085-0.0915-0.09840.00000%-7.64706%-15.76471%-0.0130.006-0.002316.6667%0.00000%133.33333%0.11090.10290.09490.00000%7.21371%14.42741%0.20790.19920.19150.00000%4.18470%7.88841%0.30530.29640.28740.00000%2.91517%5.86309%0.40160.39320.38340.00000%2.09163%4.53187%0.49980.48940.480.00000%2.08083%3.96158%0.59620.58560.57570.00000%1.77793%3.43844%0.69220.6820.67210.00000%1.47356%2.90379%0.7810.77820.76860.00000%0.35851%1.58771%0.87380.87430.86490.05719%0.00000%1.07515%0.96910.97110.96040.20595%0.00000%1.10184%1.06961.06651.05650.00000%0.28983%1.22476%1.16951.16211.15230.00000%0.63275%1.47071%1.26041.25831.24810.00000%0.16661%0.97588%1.36571.35551.34360.00000%0.74687%1.61822%1.4531.45221.43850.00000%0.05506%0.99794%1.5411.5451.5370.25890%0.00000%0.51780%1.63711.64051.63250.20725%0.00000%0.48766%1.74481.73741.72810.00000%0.42412%0.95713%1.85091.83321.8230.00000%0.95629%1.50737%1.94431.92881.91620.00000%0.79720%1.44525%1.98221.96831.95210.00000%0.70124%1.51851%3、由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，铜价格便宜，缺点是易氧化，不适宜在腐蚀性质或高温下工作。它的测量范围为-50+150。动手绕制热电阻（R=50）得到数据如下数据1恒温槽温度4045507080标准PT100温度45.5845.5850.4470.2280.07标准PT100阻值29.3055429.864430.34832.30733.279普通铜电阻阻值24.572823.79625.416227.028326.6945数据2恒温槽温度8090100110120标准PT100温度80.0789.9399.75109.86119.55标准PT100阻值33.27934.248535.210336.198437.1425普通铜电阻阻值26.694527.647528.430929.342130.0321应用matlab绘得图线如下并得到关系式线性关系式为R=0.0871T+20.6809；可知铜热电阻线性较好。四、经验教训 通过本次温度测量系统的设计，我对温度测量控制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：怎样将PT100热电阻的非电量信号转换为单片机单片机能识别的电量信号，其中的信号如何放大及放大倍数的确定等等。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，实在解决不了时候可以请教同学或指导老师。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，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到预期的要求，很好地完成了本次设计任务。通过本次设计，我了解并掌握了传感器的基本理论知识。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。五、附件焊接电路板实物图-第 10 页-