Pt電阻溫度傳感器批量測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、引言

　　溫度傳感器應(yīng)用廣泛[1]，其中Pt電阻溫度傳感器由于精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)，所以廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)林、化纖、食品、汽車(chē)、家用電器、工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量和各種實(shí)驗(yàn)儀器儀表等領(lǐng)域。然而隨著產(chǎn)量增加，其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的測(cè)試問(wèn)題成為影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題，研制開(kāi)發(fā)高性能價(jià)格比的測(cè)試系統(tǒng)，不僅可為生產(chǎn)商提供必要的測(cè)試工具，還可為溫度傳感器的可靠性研究提供有效的手段。本文介紹了Pt電阻溫度傳感器測(cè)試系統(tǒng)的多通道信號(hào)調(diào)理模塊的原理及電路設(shè)計(jì)。


二、信號(hào)調(diào)理模塊的構(gòu)成及工作原理

　　Pt膜溫度傳感器測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理模塊的基本原理如圖1所示，整套測(cè)試系統(tǒng)一共有n個(gè)單元測(cè)量電路，能實(shí)現(xiàn)傳感器的多通道測(cè)量。每個(gè)單元測(cè)量電路采用四線(xiàn)制的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，而這種四線(xiàn)制的結(jié)構(gòu)中需要一個(gè)精密的恒流源；此外，由于單元測(cè)量電路的輸出信號(hào)較弱，還需要將輸出信號(hào)進(jìn)行直流放大，放大后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了提高測(cè)量精度，減小測(cè)量時(shí)外圍電路帶來(lái)的誤差，本設(shè)計(jì)采用了多路電子開(kāi)關(guān)Ka，使得n路單元測(cè)量電路共用一個(gè)0.5mA的精密恒流源，同時(shí)使 n路單元測(cè)量電路共用一個(gè)放大電路，即在對(duì)Pt溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只有當(dāng)電子開(kāi)關(guān)組Ka和Kb組的第n個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)接通時(shí)才能夠選中第n個(gè)Pt溫度傳感器并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量。

　　本系統(tǒng)采用了32個(gè)八選一的多路開(kāi)關(guān)器件CD4051和兩個(gè)74LS138組成電子開(kāi)關(guān)陣列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)128個(gè)通道控制，可選擇128個(gè)Pt電阻中任意一個(gè)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量電路所測(cè)得的Pt電阻傳感器兩端的電壓經(jīng)過(guò)放大電路后進(jìn)入MSP430單片機(jī)的進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。


三、恒流源的設(shè)計(jì)

　　恒流源原理如圖2所示[3、4]。本測(cè)試系統(tǒng)恒流源的電流值定為0.5mA，此電流值定為0.5mA主要有以下兩個(gè)原因：

　?。?）、如果恒流源的電流值過(guò)大，電流在流過(guò)Pt電阻時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)影響測(cè)試精度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電流值不能大于1mA；

　?。?）、如果恒流源的電流值過(guò)小，在測(cè)試時(shí)輸出的信號(hào)就會(huì)很小，為了使測(cè)量的信號(hào)滿(mǎn)足A/D的要求就必須加大放大電路的放大倍數(shù)，這樣就加大了系統(tǒng)的誤差。綜合考慮上述兩個(gè)原因，本系統(tǒng)中恒流源的電流值定為0.5mA。恒流源電路設(shè)計(jì)中使用了TLC2652高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器[2]和電壓基準(zhǔn)源TL431。 TLC2652斬波穩(wěn)零的工作方式使其具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲等特點(diǎn)。TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)的電壓基準(zhǔn)源，它的輸出電壓可以在2.5V到36V范圍內(nèi)設(shè)置。

　　在設(shè)計(jì)恒流源時(shí)，電壓基準(zhǔn)源TL431使得A、B兩端的電壓為2.5 V，B點(diǎn)與TLC2652的3腳的電位相等，而TLC2652的3腳與其2腳虛短，即3腳與2腳的電位相等，也就相當(dāng)于B點(diǎn)與TLC2652的2腳電位相等，即R1兩端的電壓與A、B兩端的電壓相等，也為2.5V，從而可以計(jì)算出流過(guò)R1的電流I1為0.5mA。TLC2652的2腳與其3腳虛斷，也就是說(shuō)TLC2652的2腳沒(méi)有電流輸出，所以有I2=I1。換言之就是我們?cè)贑處得到0.5mA的恒流輸出[4、5]。


四、放大電路的設(shè)計(jì)

　　由于所測(cè)出的Pt電阻溫度傳感器兩端的電壓信號(hào)較弱，所以此電壓在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前必須經(jīng)過(guò)放大電路（如圖3所示）的放大。

　　本系統(tǒng)中放大電路的輸入信號(hào)在50mV～70mV之間，所用A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍為0V～2.5V，經(jīng)過(guò)計(jì)算，放大電路的放大倍數(shù)為35倍左右時(shí)可以滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換的要求。普通的運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點(diǎn)幾微伏以上。雖然輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，但其漂移則是難以消除的。而斬波穩(wěn)零型運(yùn)算放大器TLC2652提供了一種解決微信號(hào)放大問(wèn)題的廉價(jià)方案。斬波穩(wěn)零的工作方式使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓為0.5μV（典型值）～1μV（最大值）；輸入失調(diào)漂移電壓為0.003μV/℃（典型值），失調(diào)電壓長(zhǎng)期漂移為0.003μV/月[3][8]。經(jīng)過(guò)計(jì)算，TLC2652的性能參數(shù)可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)測(cè)量精度的要求，所以本系統(tǒng)的放大電路中的運(yùn)放采用了TLC2652。


五、信號(hào)調(diào)理模塊的精度分析

　　對(duì)本測(cè)試系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，先將被測(cè)一組的Pt電阻溫度傳感器置于冰水混合物中，測(cè)出這組Pt電阻在0℃時(shí)兩端電壓值，再將這組Pt電阻溫度傳感器置于100℃的液體介質(zhì)中，測(cè)出這組Pt電阻在100℃時(shí)兩端電壓值。被測(cè)的溫度傳感器Pt100在0℃的阻值為100W，在100℃時(shí)的阻值為138Ω。而本測(cè)試系統(tǒng)所用的A/D輸入電壓在0V～2.5V。本系統(tǒng)的恒流源的電流定為0.5mA。
　

　Pt電阻測(cè)溫時(shí)滿(mǎn)足公式：

　　　　Rt=R0（1+At+Bt­2） （1）

　　式中，A=3.90802×10-3/℃；

　　　　　B=-5.80195×10-7/℃；

　　　　　Rt、R0—Pt電阻在t℃和0℃時(shí)的電阻值。

　　由此可推出公式：

　　　　ΔR= R0（AΔt+BΔt2） （2）

　　要想使被測(cè)的Pt電阻的測(cè)量精度達(dá)到0.1℃ ，取Δt=0.1℃帶入上式，可求得ΔR=0.0391W。即本系統(tǒng)所測(cè)的Pt電阻的阻值精度應(yīng)為0.0391。故可算出系統(tǒng)的最大相對(duì)誤差γ總為3.91×10-4

　　整個(gè)系統(tǒng)的誤差包括：恒流源的誤差γ1，引線(xiàn)電阻Rn1、Rn2、Rn3和Rn4產(chǎn)生的誤差γ2，電子開(kāi)關(guān)Ka、Kb導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的誤差γ3和放大電路的誤差γ4。

1、恒流源的誤差γ1

　　恒流源的誤差γ1來(lái)源有TL431的誤差γ11、TLC2652的誤差γ12及圖2中電阻R6的誤差γ13。假設(shè)系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度變化ΔT=10℃， TL431的電壓的溫漂為20ppm/℃可以計(jì)算出：

　　　　γ11= 20×10-6×10=2×10-4

　　由TLC2652的輸入偏置電流為60pA（最大值）、輸入失調(diào)電流為60pA（最大值），可以計(jì)算出：

　　　　γ12=（60×10-12+60×10-12）/（0.5×10-3）=2.4×10-7

　　恒流源電路中的電阻R6為精密電阻，其溫漂為2ppm/℃，可以計(jì)算出：

　　　　γ13=2×10-6×10=2×10-5

　　則：γ1= ≈2×10-4

2、引線(xiàn)電阻產(chǎn)生的誤差γ2

　　在本設(shè)計(jì)中，對(duì)Pt溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試時(shí)采用的四線(xiàn)制接線(xiàn)方式可消除因連線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)而引起的誤差。如圖1中所示的Ptn的等效形式，其中Rn1、Rn2、Rn3和Rn4為引線(xiàn)電阻和接觸電阻，且阻值相同。Rn1、Rn2是電壓檢測(cè)回路的引線(xiàn)電阻，Rn3、Rn4是恒流源回路的引線(xiàn)電阻。這種電路在測(cè)量電壓時(shí)，由Rn1和Rn2的電壓降引起的測(cè)量誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Pt電阻溫度傳感器兩端的電壓的值，可忽略不計(jì)。Rn3和Rn4因?yàn)槭呛秃懔髟创?lián)連接，故也可忽略。因此γ2≈0。

3、電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的誤差

　　本系統(tǒng)的電子開(kāi)關(guān)采用了八選一的CMOS模擬開(kāi)關(guān)CD4051，其導(dǎo)通時(shí)的電阻約為幾百歐，但我們可以把Ka導(dǎo)通電阻看作恒流源電路中的運(yùn)放的差模輸入阻抗的一部分。Kb的導(dǎo)通電阻可以看作放大電路中的運(yùn)放的輸入阻抗的一部份，所以γ3≈0

4、放大電路的誤差

　　根據(jù)TLC2652特性可知，其輸入失調(diào)電壓為0.5μV～1μV；失調(diào)電壓漂移為0.003μV/ oC；假設(shè)系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度變化ΔT=10℃ ，可以計(jì)算出放大電路的誤差γ4：

　　　　γ4=1×10-6+0.003×10-6×20≈0.5×10-6

　　所以信號(hào)調(diào)理模塊的最大測(cè)量誤差γ為：

　　　　γ= （3）

　　由于γγ總，所以此信號(hào)調(diào)理模塊的測(cè)量精度滿(mǎn)足要求。


六、結(jié)論

　　本文介紹的Pt電阻溫度傳感器的測(cè)試原理及方法具有通道容量大、測(cè)量速度快、使用方便、穩(wěn)定可靠、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且在溫度傳感器測(cè)試領(lǐng)域中有著極為廣闊的應(yīng)用前景，不但能解決Pt電阻溫度傳感器生產(chǎn)與檢測(cè)過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)Pt溫度傳感器的參數(shù)進(jìn)行高速、高精度、批量的測(cè)量。


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