Pt膜溫度傳感器測試系統(tǒng)信號調(diào)理模塊的實現(xiàn) - 全文

　　一、引言

　　Pt電阻溫度傳感器由于精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強、壽命長，所以廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)林、化纖、食品、汽車、家用電器、工業(yè)自動化測量和各種實驗儀器儀表等領(lǐng)域。研制開發(fā)高性能價格比的測試系統(tǒng)，不僅可為生產(chǎn)商提供必要的測試工具，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電阻溫度傳感器測試系統(tǒng)的多通道信號調(diào)理模塊的原理及電路設(shè)計。

　　二、信號調(diào)理模塊的構(gòu)成及工作原理

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

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　　本系統(tǒng)采用了32個八選一的多路開關(guān)器件CD4051和兩個74LS138組成電子開關(guān)陣列，實現(xiàn)了對128個通道控制，可選擇128個Pt電阻中任意一個進行測試。測量電路所測得的Pt電阻傳感器兩端的電壓經(jīng)過放大電路后進入MSP430單片機的進行A/D轉(zhuǎn)換。

　　三、恒流源的設(shè)計

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

　　(1)、如果恒流源的電流值過大，電流在流過Pt電阻時產(chǎn)生的熱量會影響測試精度。根據(jù)經(jīng)驗，電流值不能大于1mA;

　　(2)、如果恒流源的電流值過小，在測試時輸出的信號就會很小，為了使測量的信號滿足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)計中使用了TLC2652高精度斬波穩(wěn)零運算放大器[2]和電壓基準源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。TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)的電壓基準源，它的輸出電壓可以在2.5V到36V范圍內(nèi)設(shè)置。

　　在設(shè)計恒流源時，電壓基準源TL431使得A、B兩端的電壓為2.5 V，B點與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，也就相當于B點與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，從而可以計算出流過R1的電流I1為0.5mA。TLC2652的2腳與其3腳虛斷，也就是說TLC2652的2腳沒有電流輸出，所以有I2=I1。換言之就是我們在C處得到0.5mA的恒流輸出[4、5]。

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　　四、放大電路的設(shè)計

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

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　　本系統(tǒng)中放大電路的輸入信號在50mV～70mV之間，所用A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍為0V～2.5V，經(jīng)過計算，放大電路的放大倍數(shù)為35倍左右時可以滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。普通的運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)零型運算放大器TLC2652提供了一種解決微信號放大問題的廉價方案。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)電壓長期漂移為0.003μV/月[3][8]。經(jīng)過計算，TLC2652的性能參數(shù)可以滿足本系統(tǒng)測量精度的要求，所以本系統(tǒng)的放大電路中的運放采用了TLC2652。

　　五、信號調(diào)理模塊的精度分析

　　對本測試系統(tǒng)在進行測試時，先將被測一組的Pt電阻溫度傳感器置于冰水混合物中，測出這組Pt電阻在0℃時兩端電壓值，再將這組Pt電阻溫度傳感器置于100℃的液體介質(zhì)中，測出這組Pt電阻在100℃時兩端電壓值。被測的溫度傳感器Pt100在0℃的阻值為100W，在100℃時的阻值為138Ω。而本測試系統(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電阻測溫時滿足公式：

　　Rt=R0(1+At+Bt-2) (1)

　　式中，A=3.90802×10-3/℃;B=-5.80195×10-7/℃;Rt、R0—Pt電阻在t℃和0℃時的電阻值。

　　由此可推出公式：

　　ΔR= R0(AΔt+BΔt2) (2)

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

　　整個系統(tǒng)的誤差包括：恒流源的誤差γ1，引線電阻Rn1、Rn2、Rn3和Rn4產(chǎn)生的誤差γ2，電子開關(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/℃，可以計算出：

　　γ13=2×10-6×10=2×10-5

　　則：γ1= ≈2×10-4

　　2、引線電阻產(chǎn)生的誤差γ2

　　在本設(shè)計中，對Pt溫度傳感器進行測試時采用的四線制接線方式可消除因連線過長而引起的誤差。如圖1中所示的Ptn的等效形式，其中Rn1、Rn2、Rn3和Rn4為引線電阻和接觸電阻，且阻值相同。Rn1、Rn2是電壓檢測回路的引線電阻，Rn3、Rn4是恒流源回路的引線電阻。這種電路在測量電壓時，由Rn1和Rn2的電壓降引起的測量誤差，遠遠小于Pt電阻溫度傳感器兩端的電壓的值，可忽略不計。Rn3和Rn4因為是和恒流源串聯(lián)連接，故也可忽略。因此γ2≈0。

　　3、電子開關(guān)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的誤差

　　本系統(tǒng)的電子開關(guān)采用了八選一的CMOS模擬開關(guān)CD4051，其導(dǎo)通時的電阻約為幾百歐，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

　　所以信號調(diào)理模塊的最大測量誤差γ為：

　　γ= (3)

　　由于γ<γ總，所以此信號調(diào)理模塊的測量精度滿足要求。

　　六、結(jié)論

　　本文介紹的Pt電阻溫度傳感器的測試原理及方法具有通道容量大、測量速度快、使用方便、穩(wěn)定可靠、通用性強等優(yōu)點。