課設說明書

燕山大學

題目：基於鉑電阻的的溫度測量調理電路設計

學院（系）：電氣工程學院

年級專業： 08級檢測2班

學號： 080103020191

學生姓名：喬永嚴

指導教師：溫江濤

教師職稱：講師

燕山大學課程設計（**）任務書

院（系）：電氣工程學院基層教學單位：儀器科學與工程系

說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各乙份。

2023年 6 月25 日

目錄前言4

第一章方案設計與論證5

1.1 感測器5

1.2 系統的工作原理5

1.3 鉑電阻溫度/阻值效能的簡要介紹5

1.4 基於鉑電阻的溫度感測器6

第二章溫度測量調理電路設計8

2.1 pt1000感測器特性和測溫原理8

2.2 測量電路8

2.3 恆流源電路9

2.4 運算放大器電路9

2.5 輸出偏置電路10

第三章電路**10

3.1 multisim**軟體介紹12

3.2 電路**13

第四章電路原理圖15

第五章課程設計心得體會16參考文獻

前言運算放大器和各種模擬積體電路是應用最為廣泛的一類模擬器件。溫度感測器充分應用這些模擬器件的一類感測器。其發展速度之快，以及其應用之廣，並且還有很大潛力。

為了提高對感測器的認識和了解，尤其是對溫度感測器的深入研究以及其用法與用途，基於實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統。本設計應用性比較強，設計系統可以作為溫度測量系統，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調節系統、生產溫度監控系統等等。本課題主要任務是完成鉑電阻環境溫度檢測的電路設計，當溫度在-10到300攝氏度變化時，輸出訊號的幅值為0—2.

5v。第一章方案設計與論證

1.1 感測器

熱電阻感測器可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，後者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度係數、高電阻率、化學、物理效能穩定、良好的線性輸出特性等，常用的熱電阻如 pt100、pt1000 等。熱電偶是目前接觸式測溫中應用也十分廣泛的熱電式感測器，它具有結構簡單、製造方便、測溫範圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出訊號便於遠傳等優點。

常用的熱電偶材料有鉑銠-鉑、銥銠-銥、鎳鐵-鎳銅、銅-康銅等，各種不同材料的熱電偶使用在不同的測溫範圍場合。熱電偶的使用誤差主要來自於分度誤差、延伸導線誤差、動態誤差以及使用的儀表誤差等。非接觸式溫度感測器主要是被測物體通過熱輻射能量來反映物體溫度的高低，這種測溫方法可避免與高溫被測體接觸，測溫不破壞溫度場，測溫範圍寬，精度高，反應速度快，既可測近距離小目標的溫度，又可測遠距離大面積目標的溫度。

目前運用受限的主要原因一是**相對較貴，二是非接觸式溫度感測器的輸出同樣存在非線性的問題，而且其輸出受與被測量物體的距離、環境溫度等多種其它因素的影響。由於本設計的任務是要求測量的範圍為 -10℃～300℃，採用線性度相對較好的 pt1000 作為本課題的溫度感測器，具體的型號為 wzp 型鉑電阻，該感測器的測溫範圍從－200℃～＋650℃。

1.2 系統的工作原理

溫度測量模擬電路是把當前 pt1000 熱電阻感測器的電阻值，轉換為容易測量的電壓值，即通過採用pt1000作為溫度敏感元件，經過三線制恆流源電路、運算放大電路等環節，使當溫度在-10到300攝氏度變化時，輸出訊號的幅值為0—2.5v。

1.3鉑電阻溫度/阻值效能的簡要介紹

鉑電阻具有測溫範圍大、準確度高、效能穩定、重複性好等特點，是一種比較理想的溫度檢測元件，在工業上被廣泛應用。但鉑電阻由於受到自身的誤差、電阻測量的系統誤差和引線、環境溫度等影響，溫度測量精度不能達到很高，使用時會受到一定的限制。傳統的三線制、四線制及恆流源鉑電阻測溫法，其出發點主要是消除引線阻抗的影響，而對測量的系統誤差和鉑電阻本身的誤差考慮較少。

另外，對鉑電阻測溫電路，大多採用非線性校正方法，消除這些誤差，以提高整體的測量精度，並減少大量生產時調校的工作量，滿足批量生產時調校的可行性與方便性。

鉑電阻的溫度電阻特性：

當-200℃rt=r0[1+at+bt2 +c(t-100)t3 ] ;

當0℃rt=r0（1+at+bt2）。

rt為在t℃時的電阻值，r0為在0℃時的電阻值。tcr=0.003851時的系數值為：

a=3.9083×10-3℃-1，b=-5.775×10-7℃-2，c=-4.

183×10-12℃-4。

1.4 基於鉑電阻的溫度感測器設計

溫度是過程檢測與控制中的重要參量,在要求對溫度進行精確測量和控制的條件下,鉑熱電阻是一種應用廣泛的溫度感測器,它具有體積小、準確度高、測溫範圍寬、穩定性好、正的溫度係數等特點,但它同時也存在非線性的缺點,因此在利用鉑熱電阻進行精確溫度測量時,除要克服測量電路自身的雜訊干擾外,還要對鉑熱電阻的非線性進行矯正. 本文根據鉑電阻( pt1000) 國際分度表函式的非線性特點,提出了一種在 0～650 ℃範圍內補償其非線性的方法,設計了專用的非線性補償電路,在對電路補償原理及效果進行理論分析和計算機模擬**的基礎上,實際製作了該非線性補償電路,並進行了現場測試. 鉑電阻 pt1000的非線性補償電路見下圖：

圖為非平衡電橋非線性矯正方法。

非平衡電橋結構簡單，動態性好，廣泛的應用於測溫，測壓等電路中。但常用的恆壓源非平衡電橋的輸出電壓△u 與鉑電阻r 存在非線性問題。

圖2為恆壓源非平衡電橋原理圖，

r1 、r2 、r為精密橋臂電阻；感溫元件鉑電阻rt 其阻值隨環境溫度t而變化．當電源輸出電壓e一定時，非平衡電橋輸出電壓為：

顯然，△ u與 rt是非線性關係。產生非線性的原因是rt 隨著溫度變化時，流過rt 的電流，也發生了變化。如果在非平衡電橋rt 的一臂加恆流源就可以解決非平衡橋帶來的非線性問題。

第二章溫度測量調理電路設計

2.1 pt1000 感測器特性和測溫原理

電阻式溫度感測器(rtd, resistance temperature detector)是指一種物質材料作成的電阻, 它會隨溫度的改變而改變電阻值。pt1000 溫度感測器的測量範圍廣：-200℃～+650℃，偏差小，響應時間短，還具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點，其得到了廣泛的應用，本設計即採用 pt1000 作為溫度感測器。

主要技術指標：1. 測溫範圍：

-200～650 攝氏度；2. 測溫精度：0.

1 攝氏度； 3. 穩定性：0.

1 攝氏度 pt1000 是電阻式溫度感測器，測溫的本質其實是測量感測器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬訊號，然後再將模擬訊號轉換成數碼訊號，再由處理器換算出相應溫度。採用 pt1000 測量溫度一般有兩種方案：方案一：

設計乙個恆流源通過 pt1000 熱電阻，通過檢測 pt1000 上電壓的變化來換算出溫度。方案二：採用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恆定的，另乙個用 pt1000 熱電阻，當 pt1000 電阻值變化時，測試端產生乙個電勢差，由此電勢差換算出溫度。

兩種方案的區別只在於訊號獲取電路的不同，其原理上基本一致。

2.2 測量電路

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