温度传感器系统设计

学    院：测通学院        

专业班级：测控12-5班     

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学    号:    1205010   

20##年11月30日

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目录

第1章 温度测量系统文献综述........................................................................ 1

1.1 温度测量的意义....................................................................................... 1

1.2 温度测量现状........................................................................................... 2

1.2.1 压力式测温系统................................................................................ 2

1.2.2 热电阻测温系统................................................................................ 2

1.2.3 双金属温度计.................................................................................... 3

1.2.4 热电偶测温系统................................................................................ 3

1.2.5 PN 结型及集成电路式温度传感器................................................ 3

1.2.6 光学高温计测温系统........................................................................ 4

1.2.7 红外测温仪（便携式）.................................................................. 4

第2章 总体方案设计........................................................................................ 5

2.1 方案一....................................................................................................... 5

2.2 方案二....................................................................................................... 6

2.3 方案三....................................................................................................... 6

2.4 方案分析对比........................................................................................... 7

2.5 小结........................................................................................................... 8

第3章 具体设计与特性分析............................................................................ 9

3.1 传感器设计............................................................................................... 9

3.2 转换电路设计......................................................................................... 10

3.3 传感器总体分析..................................................................................... 11

3.4 使用条件和误差补偿............................................................................. 11

3.5 仿真实验................................................................................................. 11

3.6 小结......................................................................................................... 12

结论.................................................................................................................... 13

参考文献............................................................................................................ 14

心得体会............................................................................................................ 15

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第1章 温度测量系统文献综述

1.1 温度测量的意义

（1）随着科技的迅速发展,高温、超高温、低温、超低温等非常态实验及工程应用越来越多,越来越复杂;另一方面,武器型号、重大装备及精密制造技术的发展也对温度测量的要求越来越高。在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制，自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

（2）温度是表征物体冷热程度的物理量,是国际单位制中七个基本物理量之一,它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高,温度测量技术也得到了不断的发展。传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点,在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展,其应用范围更加拓展。但是传统温度测量方法也有缺点，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

（3）测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

1.2 温度测量现状

目前，温度测量的方法已达数十种之多。根据温度测量所依据的物理定律和所选择作为温度标志的物理量，随着科技的迅速发展,高温、超高温、低温、超低温等非常态实验及工程应用越来越多,越来越复杂;另一方面,武器型号、重大装备及精密制造技术的发展也对温度测量的要求越来越高。技术发展日新月异,行业需求不断提高,对从事温度测量操作和温度测量研究的人员素质要求也越来越高。目前，温度测量的方法已达数十种之多。根据温度测量所依据的物理定律和所选择作为温度标志的物理量，测量方法可以归纳成下列几类:

1.2.1 压力式测温系统  

是最早应用于生产过程温度测量方法之一，是就地显示、控制温度应用十分广泛的测量方法。带电接点的压力式测温系统常作为电路接点开关用于温度就地位式控制。

压力式测温系统适用于对铜或铜合金不起腐蚀作用场合，优点是结构简单，机械强度高，不怕振动；不需外部电源；价格低。缺点是测温范围有限制（-80~400℃）；热损失大，响应时间较慢；仪表密封系统（温包，毛细管，弹簧管）损坏难以修理，必须更换；测量精度受环境温度及温包安置位置影响较大；毛细管传送距离有限制。

1.2.2 热电阻测温系统 

热电阻测量精度高,可用作标准仪器，广泛用于生产过程各种介质的温度测量。优点是测量精度高；再现性好；与热电偶测量相比它不需要冷点温度补偿及补偿导线。缺点是需外接电源；热惯性大；不能使用在有机械震动场合。

铠装热电阻将温度检测元件、绝缘材料、导线三者封焊在一根金属管内，它的外径可以做得很小，具有良好的力学性能，不怕振动。同时，它具有响应快，时间常数小的优点。铠装热电阻可制成缆状形式，具有可挠性，任意弯曲，适应各种复杂结构场合中的温度测量。目前国外N型热电偶得到了广泛的应用,而国内应用仍旧不是很普遍,但随着对加工产品质量控制要求的提高,N型热电偶使用将会越来越多。（参考温度测量技术现状和发展概述 杨永军 (中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095)）

1.2.3 双金属温度计 

双金属温度计也是用途十分广泛的就地温度计。优点是结构简单，价格低；维护方便；比玻璃温度计坚固、耐振、耐冲击；示值连续。缺点是测量精度较低。

1.2.4 热电偶测温系统  

热电偶在工业测温中占了很大比重。生产过程远距离测温大多使用热电偶。优点是体积小，安装方便；信号远传可作显示、控制用；与压力式温度计相比，响应速度快；测温范围宽；测量精度较高；再现性好；校验容易；价低。缺点是热电势与温度之间是非线性关系；精度比电阻低；在同样条件下，热电偶接点易老化。

1.2.5 PN 结型及集成电路式温度传感器

半导体PN 结测温是近几年来发展起来的一种新型测温手段.众所周知， PN 结的反向电流随温度呈指数规律变化，而当正向电流不变时，其正向压降随温度近似线性变化.现代的PN 结温度传感器都是利用正向压降进行测温.PN 结正向压降Vbe 与绝对温度T间的关系为:            Vbe=kT[ln(I / I0)+1 ]/q , 其中I 和I0。分别为PN 结的正向电流和反向饱和电流，h 和q分别为波尔兹曼常数和电子电荷.由此可见，只有I

与I0 的比值稳定， Vbe 与T 间的关系才能确定.现代的温度传感器都将恒流源、放大电路、补偿电路集成在一起做成集成温度传感器，其感温部分线路如图2 所示.由图可知，输出电压ΔVbe与温度的关系为:

ΔV be=kTln (Ic1/ Ic2) /q. 只要保持Ic1/ Ic2为定值，测量已知电阻R 上的电压ΔVbe便可得到温度值.

集成电路温度传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点，测温范围在

-50~150℃ .

也正好是最常见的温度范围.文献报导的一种电流输出型温度传感器在0---20℃ 内灵敏度可达1.06μA/℃. 线性误差不超过±0.2℃. 稳定性为0.02℃/4h

1.2.6 光学高温计测温系统  

光学高温计结构简单、轻巧、使用方便，常用于金属冶炼、玻璃熔融、热处理等工艺过程中，实施非接触式温度测量。缺点是测量靠人眼比较，容易引入主观误差；价格较高。

1.2.7 红外测温仪（便携式）

 特点是非接触测温；测温范围宽（600~1800℃/900~2500℃）；精度高示值的1%+1℃；性能稳定；响应时间快（0.7s）；工作距离大于0.5m。（参考互联网会议PPT资料大全技术大会）

 

第2章 总体方案设计

2.1 方案一

基于PT1000的高精度温度测量系统

本温度测量系统采用三线制恒流源驱动法驱动铂电阻传感器。三线制恒流源驱动法是指用硬件电路消除铂电感器的固定电阻（零度电阻）， 直接测量传感器的电阻变化量。图1 为三线制恒流源驱动法高精度测量方案，参考电阻与传感器串联连接，用恒流源驱动，电路各元件将产生相应的电压，传感器因温度变化部分电阻的电压可以由后面的放大电路和A/D 转换器直接测量，并采用2 次电压测量--交换驱动电流方向，在每个电流方向上各测量一次。其特点是直接测量传感器的电阻变化量，A/D 转换器利用效率高， 电路输出电压同电阻变化量成线性关系。传感器采用三线制接法能有效地消除导线电阻和自热效应的影响。利用单片机系统控制两次测量电压可以避免接线势垒电压及放大器、A/D 转

换器的失调与漂移产生的系统误差，还可以校准铂电阻传感器精度。恒流源与A/D 转换器共用参考基准，这样根据A/D转换器的计量比率变换原理，可以消除参考基准不稳定产生的误差，不过对恒流源要求较高，电路结构较为复杂。为了进一步克服噪声和随机误差对测量精度和稳定度的影响，最后在上位机中采用MLS 数值算法实现噪声抵消，大大提高了温

度测量精度和稳定度。

2.2 方案二

热电偶传感器设计

本方案提出了一种可以应用于管道内流体测量的热电偶测温系统的设计方法，给出了热电偶传感器和热电偶变换器的详细设计方案，并通过实验，得出了精度指标验证了系统性能。

热电偶的测温原理是利用导体的热电效应，即将两种导体串联成闭合回路时，若结点处于不同的温度，回路中会存在热电势。测温时一个结点置于被测温度场，另一个结点处于恒定温度，称为冷端

热电偶传感器采用标准化热电偶之一的K型热电偶即镍铬一镍硅热电偶，测温范围0~1 300℃。K型热电偶具有线性度好，热电势较大(1 300℃时热电势为52.398 mV )，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强等优点。

热电偶变换器的输入信号为K型热电偶在0~1000℃的电压信号即0~41.269 mV ，输出信号为0.1 V~4.9 VDC。通过专用调理芯片AD595，对热电偶信号进行放大处理及冷端补偿，再由运算放大器进行比例缩放及偏置处理，调整为与实测温度成线性关系的电压信号。

AD595是一个完整的仪用放大器，在与热电偶连接时可产生10 mV/℃的输出信号；并具有热电偶开路故障报警功能。其典型工作电流仅为160 μA，可以最大程度地减小自热误差。AD595经过激光微调预校准，与K型热电偶的特性相匹配。

2.3 方案三

双电桥电路温度测量

单电桥虽然灵敏度较高，但当被测电阻以低阻值变化时，桥臂中的接线、接触电阻和 △Rx 一起参与电桥电压平衡，测量结果是△Rx与该桥臂的接线和接触电阻的总阻值，因此，测量结果误差较大，且存在较大的非线性。

采用双电桥测温回路，通过研究改进，完成基于四线制的双电桥精密温度测量电桥的设计，配合铂电阻Pt100实现捷联航姿系统温控系统的精密温度测量；使得温度测量电路的线性度、准确度保持较高的水平．双电桥电路可以极大 改善测温电路的非线性，提高测量精度，基本消除非线性因素对测温准确度的影响．在保证电路测温准确的基础上，双电桥电路使得光纤陀螺控温系统精度得到很大提升．

2.4 方案分析对比

热电偶的主要优点：测温范围宽、动态响应快、结构简单、维修方便。标准化热电偶的热电动势特性由国际电工委员会统一制定了标准分度表和允许偏差，使用时具有性能稳定，互换性好的优点。热电偶传感器的材料一般都比较重，变化率小，在通常的测量中严格要求冷端的温度恒定，因此需修正冷接点的温度，并且热电偶传感器只可测得局部的温度，体积大。所以不符合我们所要求的技术指标。

PT100的主要优点：能直接测量传感器的电阻变化量，A/D 转换器利用效率高， 电路输出电压同电阻变化量成线性关系。铂电阻Pt100的测温方案，可以完全去除引线电阻引起的误差，有效减少自热效应，通过使用软、硬件抗干扰滤波技术降低噪声、抑制干扰、减少系统误差，提高系统的测量精度和稳定性。

双电桥测温回路的优点：通过研究改进，完成基于四线制的双电桥精密温度测量电桥的设计，配合铂电阻Pt100实现捷联航姿系统温控系统的精密温度测量；使得温度测量电路的线性度、准确度保持较高的水平．双电桥电路可以极大 改善测温电路的非线性，提高测量精度，基本消除非线性因素对测温准确度的影响．在保证电路测温准确的基础上，双电桥电路使得光纤陀螺控温系统精度得到很大提升。双电桥测温回路电路匹配很难做的好，以至于精度不高。

2.5 小结

通过方案对比和学习总结，我们小组最终选择Pt100温度测量电路，Pt100是一种广泛应用的测温元件，测量准确度高，测量范围大，线性度和稳定性好，抗干扰能力强。铂电阻的阻值与温度成非线性关系，需要进行非线性校正。

第3章 具体设计与特性分析

3.1 传感器设计

三线制恒流源驱动电路（敏感元件）

恒流源驱动电路负责驱动温度传感器Pt1000，将其感知的随温度变化的阻信号转换成可测量的电压信号。本系统中，所需恒流源要具有输出电流恒定，温度稳定性好，输出电阻很大，输出电流小于0.5 mA（Pt1000 无自热效应的上限），负载一端接地，输出电流极性可改变等特点。由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响显著， 由集成放构成的恒流源具有稳定性更好、恒流性能更高的优点。尤其在负载要接地的场合，获得了广泛应用。所以采用图2 所示的双运放恒流源。其中放大器UA1 构成加法器，UA2 构成跟随器，UA1、UA2 均低噪声、低失调、高开环增益双极性运算放大器OP07。

设图2 中参考电阻Rref上下两端的电位分别Va和Vb，Va

即为同相加法器UA1 的输出， 当取电阻R1=R2，R3=R4

时，则Va=VREFx+Vb，故恒流源的输出电流就为：

I =（Va-Vb）/ Rref0 = VREFx / Rref0                （3）

由此可见该双运放恒流源具有以下显著特点：

1）负载可接地；

2）当运放为双电源供电时，输出电流为双极性；

3）恒定电流大小通过改变输入参考基准VREF或调整参考电阻Rref0的大小来实现，很容易得到稳定的小电流和补偿校准。由于电阻的失配，参考电阻Rref0的两端电压将会受到其驱动负载的端电压Vb的影响。同时由于流源，Vb肯定会随负载的变化而变化，从而就会影响恒流源的稳定性。显这对高精度的恒流源是不能接受的。所以R1，R2，R3，R4这4个电阻的选取原则是失配要尽量的小，且每对电阻的失配大小方向要一致。实际中，可以对大量同一批次的精密电阻进行筛选，选出其中阻值接近的4 个电阻。

1.2信号调理电路

信号调理电路如图3 所示， 放大器UA3 对参考电阻Rref的端电压进行单位放大后得到差分放大器反向输入端信号，其值为：

VINN=I （Rref+Rt ）                       （4）

放大器UA4 对温度传感器Rt（Pt1000）的端电压放大2倍后得到差分放大器的正向输入端信号，其值为：

VINP=2IRt                                 （5）

其中， 电阻R5和R6的选择原则与之前恒流源分析中的比例电阻选择原则相同，即通过对大量普通标称电阻进行筛选，从中选取阻值最接近的

。

3.2 转换电路设计

A/D 转换电路（转换电路）

A/D 转换电路由一个集成A/D 转换器AD7712 完成，同时将利用其内部的PGA 完成仪表放大器的差分放大功能。AD7712 是适合低频测量的高精度A/D 转换器。片内含有2个输入通道AIN1 和AIN2，能将模拟信号转换成串行数据输出。利用AD7712 实现数据转换采集的原理电路如图4 所示，实际工作时需要对其进行配置。选用差分输入通道AIN1，输入信号极性为双极性。

3.3 传感器总体分析

传感器分析可以分成结构分析和参数分析，这些分析都需要试验的进一步实践来具体分析，上面3.2已经具体介绍了这里不再赘述。

3.4 使用条件和误差补偿

测量结果的误差主要来源于参考电阻Rref、Rref0的误差，以及差分放大倍数k 和A/D 转换器转换输出的误差。为了达到要求的测量精度，参考电阻Rref、Rref0将采用定制的UPR 塑封金属箔电阻，这种电阻具有0.05%的初始精度，小于5 ppm的温度稳定性。AD7712 的非线性误差小于0.0015%，增益温度稳定性小于2 ppm， 并且还可以通过单片机对AD7712 进行校准来减小其非线性误差以及增益误差

3.5 仿真实验

仿真试验可以通过Multisim 10软件来实现，建立新窗口绘制电路图

按照上面的电路图进行绘制。这里需要注意的是电路图的设计需要两种设计：第一种就是原电路图，另一种为对照试验，需要一个恒温箱来进行对比试验，这样才可以对结果进行充分且详细的说明，进而求得设计的最佳方案。

3.6 小结

利用三线制恒流源驱动Pt1000 铂电阻，有效克服了导线电阻和自热效应对测量精度的影响； 利用单片机计算双极性驱动电流下的两次测量电压可有效避免接线势垒电压及放大器、A/D 转换器的失调与漂移产生的系统误差； 恒流源与A/D转换器共用参考基准， 有效消除了参考基准不稳定产生的误差。在上位机中采用MLS 数值算法抵消噪声，进一步克服了噪

声和随机误差对测量精度和稳定度的影响， 大大提高了温度

测量精度和稳定度，使得整机最大的测量误差不大于0.01℃

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。

结论

温度测量系统的设计方案采用基于PT1000的三线制恒流源驱动电路，恒流源驱动电路负责驱动温度传感器Pt1000，将其感知的随温度变化的阻信号转换成可测量的电压信号。采用A/D 转换电路作为转换元件及电路，A/D 转换电路由一个集成A/D 转换器AD7712 完成，同时将利用其内部的PGA 完成仪表放大器的差分放大功能。所有设计均采用绿色环保材料制成，设计满足所需要求，即设计合理。

参考文献

1. 薛清华．高精度多通道温度测量技术研究[D]．武汉：华中科技大学出版社，2007.

2．杨永军．温度测量计算现状和发展概述[J]计测技术，2009，29（4）：62-65.

3．互联网会议PPT资料大全技术大会

4．万方数据中外标准全文库

5．中国知网（CNKI）

6．张琳娜，刘武发．传感检测技术及应用．中国计量出版社，1999

7．何希才，虹敏．传感器应用接口电路．机械工业出版社，1997

8．易先军，文小玲，刘翠梅．一种高精度温度测量电路设计[J]．

仪器仪表用户，2008，15（6）：72-73.

9.杨彦伟．高精度温度测量系统的设计[J]. 电子技术，2004（7）：18-20.

10. 朱育红．工业铂电阻精确测温方法[J]．中国测试技术，2007，33（4）：50-52.

心得体会

体会：

在设计中充分运用了课堂上及自学中掌握的知识，深入了解了各种温度传感器的设计原理及设计参数指标，从实际出发了解了现如今世界的最新温度传感器，扩大了自己的视野了解了自己的不足，坚定了深入学习的决心，明确了学习目标及方向，从今以后要更加刻苦的去学习最新的知识，丰富自己，做一个对社会有用的人。