多種溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

摘要：為了測(cè)量某試件多點(diǎn)溫度，且溫度跨度很大，還要達(dá)到要求精度，本文利用幾種不同類型的傳感器(AD590、PT1000和K型熱電偶)進(jìn)行采集，其輸出形式(電流源、電阻和熱電勢(shì))和大小均不相同，設(shè)計(jì)了電源電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和放大抬升電路，使各種傳感器的輸出達(dá)到統(tǒng)一的1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；在實(shí)驗(yàn)室利用高精度電壓、電流源和電阻箱分別對(duì)熱電偶、AD590和PT1000進(jìn)行模擬，結(jié)果表明該方法可行，調(diào)理電路的相對(duì)精度可達(dá)到0．1級(jí)。
關(guān)鍵詞：傳感器；信號(hào)調(diào)理；AD590；三線制PT1000；K型熱電偶

某試驗(yàn)系統(tǒng)中要求測(cè)量被測(cè)試件不同部位的溫度變化梯度。試件頭部到尾部的理論溫度最大值依次為1100℃(1個(gè)測(cè)點(diǎn))、300℃(2個(gè)測(cè)點(diǎn))和100℃(3個(gè)測(cè)點(diǎn))。供電電壓12 V，要求輸出信號(hào)1～5 V，相對(duì)精度不低于0．5級(jí)，重量≤100 g。如果僅僅滿足一種溫度指標(biāo)要求，市面上的很多傳感器或變送器都能很好的滿足要求，若選擇一種傳感器意味著量程至少1 100℃，該傳感器用于測(cè)量100℃的測(cè)點(diǎn)就很難滿足精度，因此需選用不同類型的傳感器，然而考慮到重量后就很難選出合適的傳感器來(lái)，因此本文旨在一片電路板上完成多種傳感器的信號(hào)調(diào)理工作，該設(shè)計(jì)有較大的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)組成
為了提高精度，根據(jù)被測(cè)溫度的大小選用量程接近該溫度的傳感器，3種不同溫度分別選擇不同傳感器如下。
測(cè)量1100℃的傳感器用K型熱電偶，其測(cè)量范圍：-200～1300℃，能夠滿足要求。熱電偶的熱電勢(shì)是毫伏級(jí)的，0℃時(shí)輸出為0 V，1100℃輸出45．118 7 mV；該信號(hào)為幅值比較小，且冷端(自由端)不可能恒為0℃，所以需設(shè)計(jì)冷端補(bǔ)償電路和放大器。
測(cè)量300℃的傳感器用Pt1000的鉑電阻，測(cè)量范圍：-50～300℃：0℃時(shí)電阻阻值1 000 Ω，300℃時(shí)電阻阻值2 120．515 Ω，反映溫度的物理量是電阻，因此需要設(shè)計(jì)電橋?qū)㈦娮璧淖兓哭D(zhuǎn)換位差模電壓的變換量，然后進(jìn)行信號(hào)放大和電平抬升。
測(cè)量100℃的傳感器用AD590集成溫度傳感器，測(cè)量范圍：-50～150℃，該器件精度較高，全溫度范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0．3℃，可充當(dāng)一個(gè)高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1μA／K，即該器件在273．15 K(0℃)時(shí)輸出273．15 μA電流，溫度每升高1℃電流增加1μA；反映溫度的是電流信號(hào)，因此需要將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后進(jìn)行信號(hào)放大和電平抬升。

2 電路設(shè)計(jì)
調(diào)理電路主要由電源和各個(gè)放大器以及相應(yīng)的信號(hào)變換電路組成，下面分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)論述。
2．1 電源電路
電源電路是讓各個(gè)模塊正常工作，系統(tǒng)使用了兩路恒壓源，恒壓源分別為PT1000電橋電源(9 V)和輸出抬升電源(1 V)，9 V電源如圖1所示。1 V電源和9 V電源基本相同，只是部分參數(shù)不同。電源電路中的集成運(yùn)算放大器采用LM224，該芯片集成了4組運(yùn)算放大器，工作電源可為單電源(12V)。

圖1中D2為穩(wěn)壓管，9V電源選用額定擊穿電壓為9．1 V的1N4696，1 V電源選用額定擊穿電壓為1．2 V的LM385；RW92是電位器，和穩(wěn)壓管并聯(lián)起到分壓的作用，滑動(dòng)頭分別可得到9 V和1 V的電壓；運(yùn)放在這里是電壓跟隨器，輸出電壓和電位器滑動(dòng)頭處的電壓大小相等；R92是限流電阻，和穩(wěn)壓管串聯(lián)；兩個(gè)電容是退耦電容，大小0．1 μF，起到穩(wěn)定電壓的作用。為了不影響穩(wěn)壓管工作電阻阻值不大于500 Ω，電阻功率不小于1 W。電位器阻值不小于10 kΩ。
2．2 ADS90調(diào)理電路
AD590是集成溫度傳感器，輸出為電流，相當(dāng)于恒流源，若要對(duì)此進(jìn)行放大需先轉(zhuǎn)換為電壓，可在其回路串入電阻，根據(jù)歐姆定律，電阻上電壓的大小可反映電流的大小，也就是溫度的高低。圖2是溫度傳感器AD590的信號(hào)調(diào)理變換電路。