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Pt电阻温度传感器批量测试系统的信号调理模块的设计

21ic?? 2011年09月29日 ?? 收藏1

  一、引言

  温度传感器应用广泛[1],其中Pt电阻温度传感器由于精度高、稳定性好、可靠性强、寿命长,所以广泛应用于气象、农林、化纤、食品、汽车、家用电器、工业自动化测量和各种实验仪器仪表等领域。然而随着产量增加,其生产过程中产品的测试问题成为影响产品产量和质量的关键问题,研制开发高性能价格比的测试系统,不仅可为生产商提供必要的测试工具,还可为温度传感器的可靠性研究提供有效的手段。本文介绍了Pt电阻温度传感器测试系统的多通道信号调理模块的原理及电路设计。

  二、信号调理模块的构成及工作原理

  Pt膜温度传感器测试系统信号调理模块的基本原理如图1所示,整套测试系统一共有n个单元测量电路,能实现传感器的多通道测量。每个单元测量电路采用四线制的方式进行设计,而这种四线制的结构中需要一个精密的恒流源;此外,由于单元测量电路的输出信号较弱,还需要将输出信号进行直流放大,放大后再进行A/D转换。为了提高测量精度,减小测量时外围电路带来的误差,本设计采用了多路电子开关Ka,使得n路单元测量电路共用一个0.5mA的精密恒流源,同时使 n路单元测量电路共用一个放大电路,即在对Pt温度传感器进行测量时,只有当电子开关组Ka和Kb组的第n个开关同时接通时才能够选中第n个Pt温度传感器并对其进行参数的测量。

Pt膜温度传感器测试系统信号调理模块的基本原理

  本系统采用了32个八选一的多路开关器件CD4051和两个74LS138组成电子开关阵列,实现了对128个通道控制,可选择128个Pt电阻中任意一个进行测试。测量电路所测得的Pt电阻传感器两端的电压经过放大电路后进入MSP430单片机的进行A/D转换。

  三、恒流源的设计

  恒流源原理如图2所示[3、4]。本测试系统恒流源的电流值定为0.5mA,此电流值定为0.5mA主要有以下两个原因:

  (1)、如果恒流源的电流值过大,电流在流过Pt电阻时产生的热量会影响测试精度。根据经验,电流值不能大于1mA;

  (2)、如果恒流源的电流值过小,在测试时输出的信号就会很小,为了使测量的信号满足A/D的要求就必须加大放大电路的放大倍数,这样就加大了系统的误差。综合考虑上述两个原因,本系统中恒流源的电流值定为0.5mA。恒流源电路设计中使用了TLC2652高精度斩波稳零运算放大器[2]和电压基准源TL431。 TLC2652斩波稳零的工作方式使其具有优异的直流特性,失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声等特点。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调的电压基准源,它的输出电压可以在2.5V到36V范围内设置。

  在设计恒流源时,电压基准源TL431使得A、B两端的电压为2.5 V,B点与TLC2652的3脚的电位相等,而TLC2652的3脚与其2脚虚短,即3脚与2脚的电位相等,也就相当于B点与TLC2652的2脚电位相等,即R1两端的电压与A、B两端的电压相等,也为2.5V,从而可以计算出流过R1的电流I1为0.5mA。TLC2652的2脚与其3脚虚断,也就是说TLC2652的2脚没有电流输出,所以有I2=I1。换言之就是我们在C处得到0.5mA的恒流输出[4、5]。

恒流源原理图

  四、放大电路的设计

  由于所测出的Pt电阻温度传感器两端的电压信号较弱,所以此电压在进行A/D转换之前必须经过放大电路(如图3所示)的放大。

放大电路

  本系统中放大电路的输入信号在50mV~70mV之间,所用A/D转换的电压范围为0V~2.5V,经过计算,放大电路的放大倍数为35倍左右时可以满足A/D转换的要求。普通的运算放大器的输入失调电压一般在数百微伏以上,失调电压的温度系数在零点几微伏以上。虽然输入失调电压可以被调零,但其漂移则是难以消除的。而斩波稳零型运算放大器TLC2652提供了一种解决微信号放大问题的廉价方案。斩波稳零的工作方式使TLC2652具有优异的直流特性,失调电压为0.5μV(典型值)~1μV(最大值);输入失调漂移电压为0.003μV/℃(典型值),失调电压长期漂移为0.003μV/月[3][8]。经过计算,TLC2652的性能参数可以满足本系统测量精度的要求,所以本系统的放大电路中的运放采用了TLC2652。

  五、信号调理模块的精度分析

  对本测试系统在进行测试时,先将被测一组的Pt电阻温度传感器置于冰水混合物中,测出这组Pt电阻在0℃时两端电压值,再将这组Pt电阻温度传感器置于100℃的液体介质中,测出这组Pt电阻在100℃时两端电压值。被测的温度传感器Pt100在0℃的阻值为100W,在100℃时的阻值为138Ω。而本测试系统所用的A/D输入电压在0V~2.5V。本系统的恒流源的电流定为0.5mA。

  Pt电阻测温时满足公式:

Rt=R0(1+At+Bt?2) (1)

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

  由此可推出公式:

ΔR= R0(AΔt+BΔt2) (2)

  要想使被测的Pt电阻的测量精度达到0.1℃ ,取Δt=0.1℃带入上式,可求得ΔR=0.0391W。即本系统所测的Pt电阻的阻值精度应为0.0391。故可算出系统的最大相对误差γ总为3.91×10-4

  整个系统的误差包括:恒流源的误差γ1,引线电阻Rn1、Rn2、Rn3和Rn4产生的误差γ2,电子开关Ka、Kb导通电阻产生的误差γ3和放大电路的误差γ4。


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温度传感器? 信号调理? 电子开关? TLC2652?

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