WZP型鉑電阻溫度傳感器Pt1000信號(hào)的線性化處理

WZP型鉑電阻溫度傳感器Pt1000是利用元件電磁參量隨溫度變化的特性對(duì)溫度與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。因其線性度相對(duì)較好，耐氧化能力很強(qiáng)，并且溫度范圍寬，其測(cè)溫的范圍從-200℃～+650℃，目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中得到廣泛使用。該傳感器的信號(hào)處理電路需要完成將與溫度有關(guān)的電阻變化信號(hào)變換成統(tǒng)一的電壓信號(hào)。

1 Pt1000的輸出特性曲線

將Pt1000放入高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，將溫度設(shè)定為-30℃～+70℃，測(cè)得溫度傳感器在不同溫度下的電阻值，測(cè)得數(shù)據(jù)如圖1所示。在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，Pt1000輸出電阻值與溫度成一定的比例關(guān)系。但是在高溫和低溫條件下，有一定的偏差，需要在調(diào)理電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2基本恒流源電路

鉑電阻溫度傳感器的信號(hào)處理電路可以采用恒壓源或恒流源，通過對(duì)恒壓源的研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中存在不穩(wěn)定，精度不高等問題，其原因是恒電壓工作時(shí)，除了鉑電阻本身的非線性誤差外，還會(huì)產(chǎn)生恒電壓工作電路的固有誤差，從而使得整個(gè)電路的系統(tǒng)誤差變大。因此本文設(shè)計(jì)采用的是恒流源的方法。

基本的恒流源電路見圖2，用鉑電阻RT代替反相放大器的Rf，根據(jù)反相放大器的公式可以得到：

Vi，R1固定后，流過RT的電流恒定，Vo與RT成正比，從RT的變化可以得到相應(yīng)的電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)了電壓輸出，并且線性度保持不變。

3帶同相輸入的溫度處理電路

理想溫度傳感電路在0℃時(shí)輸出電壓為0 V，而在圖1中RT=1 000.8 Ω，代入式(1)得到的Vo不為0，所以需要對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)零。實(shí)現(xiàn)的方法是在圖2中的運(yùn)放的同相端加一個(gè)輸入電壓進(jìn)行調(diào)整，如圖3所示。

所以只要k能調(diào)到合適的值，就可以使信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)零。但因?yàn)檫@只是理論上的計(jì)算，實(shí)際的運(yùn)放不是理想的，各個(gè)電阻也會(huì)由于溫度等的影響，阻值不會(huì)完全符合標(biāo)稱阻值。所以不固定R2和R3的大小，在實(shí)際中采用可變電阻進(jìn)行微調(diào)。

同相輸入端調(diào)整電壓的加入使得即使溫度升高，輸出電壓也會(huì)減小，因此為了保證信號(hào)在-30℃～+70℃時(shí)線性輸出-300～700 mV，在調(diào)零后再用一個(gè)放大電路對(duì)放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4所示。

圖4所示為反相放大電路，他不光可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)放大信數(shù)為A=R5／R4的放大效果，還可以將通過前級(jí)運(yùn)放反相了的電壓Vo1再反相，即變成了符合要求的正相電壓了。

4 線性化補(bǔ)充處理

經(jīng)過運(yùn)放1后的關(guān)系為式(2)所示。經(jīng)過運(yùn)放2的線性放大，若RT一定，Vo與Vi是成正比的，所以要保持線性，Vi最好是一個(gè)定值，否則Vo的函數(shù)關(guān)系中便出現(xiàn)了Vi和RT兩個(gè)函數(shù)值，不能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量了。設(shè)計(jì)給出的電壓波動(dòng)范圍是±10％VCC，一定溫度下RT為定值，那么最后的Vo也有±10％的波動(dòng)，采用統(tǒng)一的R-T關(guān)系判斷，在測(cè)量范圍內(nèi)所得到的溫度誤差變?yōu)榱恕?0℃，這是不能容忍的。電路必須有可靠的高精度的穩(wěn)壓裝置，因此在電路實(shí)際工作中，不用自接供電的方式，可采用高精度的電壓基準(zhǔn)MAX6025提供標(biāo)準(zhǔn)的2.5 V電壓基準(zhǔn)對(duì)元件和電路進(jìn)行供電。

另外，由Pt1000鉑電阻值R與溫度T的關(guān)系可知，在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，Pt1000具有3.786 59 Ω／℃的高靈敏度，因此只需要選用通用型的運(yùn)放就可以了。所采用電阻的溫度系數(shù)匹配時(shí)，非線性誤差也可以不用考慮。

5實(shí)際溫度傳感信號(hào)處理電路

實(shí)際溫度傳感信號(hào)處理電路見圖5，電路圖中的電容C是降噪電容器，實(shí)際取值1μF，2.5 V電壓基準(zhǔn)由MAX6025提供。依據(jù)圖中給定參數(shù)，在進(jìn)行實(shí)際溫度測(cè)試前，首先要對(duì)其進(jìn)行調(diào)零和調(diào)滿。用精密可調(diào)電阻代替Pt1000連接到電路中，改變阻值使其等于0℃時(shí)的等效電阻1 000.8 Ω，調(diào)可變電阻R5，使輸出電壓為0，再改變精密可調(diào)電阻值到70℃的1 265.8 Ω，調(diào)可變電阻R6，使輸出為700 mV，完成調(diào)零和調(diào)滿。該電路經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到很好的溫度傳感效果。