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技術(shù)頻道

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(jì)

摘要:本文介紹了Pt電阻溫度傳感器批量測試系統(tǒng)信號調(diào)理模塊的設(shè)計(jì),該信號調(diào)理模塊采用了多通道四線制設(shè)計(jì),使用多路電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)了溫度傳感器的多通道測量。該信號調(diào)理模塊經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試,可以實(shí)現(xiàn)128路的Pt電阻溫度傳感器測量,并且所測出的Pt電阻溫度傳感器的阻值的精度能夠達(dá)到0.03Ω,經(jīng)此系統(tǒng)所檢測的傳感器的測溫精度達(dá)可到0.1℃。
關(guān)鍵詞:Pt溫度傳感器;四線制;多通道測量
中圖分類號:TP271.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

一、引言

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(qiáng)、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(shí)驗(yàn)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(jià)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(jì)。


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(gè)單元測量電路,能實(shí)現(xiàn)傳感器的多通道測量。每個(gè)單元測量電路采用四線制的方式進(jìn)行設(shè)計(jì),而這種四線制的結(jié)構(gòu)中需要一個(gè)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(jìn)行直流放大,放大后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了提高測量精度,減小測量時(shí)外圍電路帶來的誤差,本設(shè)計(jì)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(gè)0.5mA的精密恒流源,同時(shí)使 n路單元測量電路共用一個(gè)放大電路,即在對Pt溫度傳感器進(jìn)行測量時(shí),只有當(dāng)電子開關(guān)組Ka和Kb組的第n個(gè)開關(guān)同時(shí)接通時(shí)才能夠選中第n個(gè)Pt溫度傳感器并對其進(jìn)行參數(shù)的測量。

本系統(tǒng)采用了32個(gè)八選一的多路開關(guān)器件CD4051和兩個(gè)74LS138組成電子開關(guān)陣列,實(shí)現(xiàn)了對128個(gè)通道控制,可選擇128個(gè)Pt電阻中任意一個(gè)進(jìn)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(jìn)入MSP430單片機(jī)的進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。


三、恒流源的設(shè)計(jì)

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(gè)原因:

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

(2)、如果恒流源的電流值過小,在測試時(shí)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(gè)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(jì)中使用了TLC2652高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)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(diǎn)。TL431是一個(gè)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。

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在設(shè)計(jì)恒流源時(shí),電壓基準(zhǔn)源TL431使得A、B兩端的電壓為2.5 V,B點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(jì)

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(jìn)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(jì)算,放大電路的放大倍數(shù)為35倍左右時(shí)可以滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。普通的運(yùn)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(diǎn)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(yùn)算放大器TLC2652提供了一種解決微信號放大問題的廉價(jià)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(jì)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(yùn)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(jìn)行測試時(shí),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(shí)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(shí)兩端電壓值。被測的溫度傳感器Pt100在0℃的阻值為100W,在100℃時(shí)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(shí)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(shí)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(dá)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(gè)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(jì)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(jì)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(jì)算出:

γ13=2×10-6×10=2×10-5

則:γ1=3 ≈2×10-4

2、引線電阻產(chǎn)生的誤差γ2

在本設(shè)計(jì)中,對Pt溫度傳感器進(jìn)行測試時(shí)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(shí),由Rn1和Rn2的電壓降引起的測量誤差,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Pt電阻溫度傳感器兩端的電壓的值,可忽略不計(jì)。Rn3和Rn4因?yàn)槭呛秃懔髟创?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(shí)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(yùn)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(yùn)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(jì)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 (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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),并且在溫度傳感器測試領(lǐng)域中有著極為廣闊的應(yīng)用前景,不但能解決Pt電阻溫度傳感器生產(chǎn)與檢測過程中的實(shí)際問題,還可實(shí)現(xiàn)對Pt溫度傳感器的參數(shù)進(jìn)行高速、高精度、批量的測量。

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