Pt電阻溫度傳感器批量測試系統(tǒng)的信號調(diào)理模塊的設(shè)計
一、引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/259215.htm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、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。然而隨著產(chǎn)量增加,其生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的測試問題成為影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵問題,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(dāng)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。
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:
?。?)、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(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。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(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)計恒流源時,電壓基準(zhǔn)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(dāng)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]。
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。
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+Bt2) (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。
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