铂电阻
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铂电阻范文第1篇
关键词：温度传感器；不确定度；检定结果
中图分类号：TP212文献标志码：A文章编号：2095-2945（2017）25-0016-02
1概述
测量不确定度是指表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。测量不确定度是测量系统最基本的技术指标，也是表征测量质量的重要依据。测量不确定度不仅与计量科学密切相关，而且在计量管理和质量保证体系中发挥日益重要的作用，已经成为现代误差理论研究的前沿和核心问题。
2检定方法
2.1铂电阻温度传感器
铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，具有精度高，稳定性好等优点，主要用来测量空气温度、地表温度、浅层地温等，它具有极佳的可互换性和长期稳定性，广泛应用于气象部门。
2.2检定方法
依据JJG（气象）002-2015《自动气象站铂电阻温度传感器》检定规程，将标准铂电阻温度计No.10516和被检温度传感器PT100/304同时置入温度检定槽内，数据线接到测温电桥上，控制槽温在50℃，待槽内液体温场稳定、温度计也进入稳定状态后，进行10次测量，计算被测量的估计值的试验标准偏差（见表1）。
3不确定度评定方法
3.1测量模型建立
3.2不确定度来源及不确定度分量评定
由测量所得的测得值只是被测量的估计值，测量过程中的随机效应及系统效应均会导致测量不确定度。测量不确定度的来源必须根据实际情况进行具体分析，分析时，除了定义的不确定度外，可从测量仪器、测量环境、测量人员、测量方法等方面考虑。
3.2.1A类不确定度评定
A类不确定评定是对在规定测量条件下测得的量值用统计分析的方法进行的测量不确定度分量的评定，是被测量的估计值重复性引入的标准不确定度。
重复性测量是指相同测量程序、相同操作者、相同测量条件、相同操作条件和相同地点，并在短时间内对同一或相类似被测对象重复测量得出的一组测量数据。
3.2.2B类不确定度评定
B类不确定度评定是用不同于测量不确定度A类评定的方法对测量不确定度分量进行的评定。
该实验中的B类不确定度即是由标准铂电阻温度计（含测温电桥）和温度检定槽工作区域不均匀性等引入的不确定度分量。
（1）测温电桥的测量误差引入的不确定度
测温电桥技术指标给定测量误差全量程为0.1mk，换算为温度值为0.0001℃，该误差为正态分布，取K=2，引入的不确定度为：Ub1=0.0001/2=0.00005℃，B类标准不确定度分量的自由度v，根据韦尔奇-萨特思韦特公式求得。
式中：u（Xi）是由B类不确定度得到的Xi的估计值xi的标准不确定度，u（Xi）/u（Xi）是u（Xi）的相对不确定度。其估计值的不可信度为10%，故自由度为：u（Xi）/u（Xi）=0.1，因此，vB1=（10%）-2/2=50
经计算得到，由电桥引入的不确定很小，可忽略不计。
（2）标准铂电阻温度计稳定性引入的不确定度
JJG160-2007一等标准铂电阻温度计检定规程对水三相点（Rtp）稳定性要求≤5mK（0.005℃），设为正态分布，取k=2，则：UB2=0.005/2=0.0025℃，其估计值的不可信度为10%，自由度为：
（3）标准铂电阻温度计的不确定度
JJG《国家计量检定系统表》对一等标准铂电阻温度不确定度要求为（7.1～0.5mK），根据气象业务使用范围要求，按照≤5mK（0.005℃）计算，设为正态分布，取k=2，则：UB3=0.005/2=0.0025℃，其估计值的不可信度为20%，故自由度為：
（4）被检温度计的分辨力引入的不确定度
（5）温度检定槽温场不均匀性引入的不确定度
3.3不确定度一览表（见表2）
4结束语
影响铂电阻温度传感器的不确定度的因素主要有测量重复性、标准温度计的稳定性及不确定度、被检温度计的分辨力和检定槽温的不均匀性。通过对气象用铂电阻温度计检定结果的计算分析，得出该套温度计检定结果的扩展不确定度为：包含概率为95%时，kp=2.13，U95为0.026℃。
参考文献：
[1]JJG（气象）002-2015.自动气象站铂电阻温度传感器检定规程[S].
[2]JJF1059.1-2012.测量不确定度评定与表示[S].
铂电阻范文第2篇
针对现有矿用防爆无轨胶轮车温度监测方法存在温度测量范围窄、误差大的问题，设计了矿用防爆无轨胶轮车温度监测电路。该电路选择薄膜铂电阻作为传感元件，采用非线性电桥采集电路和运算放大电路采集微弱变化的电阻信号，利用非线性和线性计算方法计算出电阻值，从而通过电阻值计算出被测部件的温度值。实际应用表明，该电路运行稳定可靠，为矿用防爆无轨胶轮车电气执行部件可靠控制提供了稳定的基础支撑。
关键词：
无轨胶轮车；温度监测；薄膜铂电阻；最小二乘法；误差控制
矿用防爆无轨胶轮车目前已成为很多煤矿非常重要的辅助运输工具，其主要分为人车、货车和特种车辆，分别完成煤矿井下人员输送、物料运输、大型设备铲运及牵引（如液压支架、重型电气等设备的铲运）。由于矿用防爆无轨胶轮车没有轨道限制，适应性强，机动灵活性好，其应用范围越来越广泛［1］。国家安监部门以及相关标准委员会出台了矿用防爆柴油机无轨胶轮车方面的标准，如MT／T989—2006《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》、MT／T990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》、GB20800．3—2008《存在甲烷和（或）可燃性粉尘的地下矿区巷道用Ⅰ类内燃机》。在这3项标准中，对防爆无轨胶轮车的温度参数监测及保护提出了多项要求，如柴油机冷却液温度、柴油机表面温度、机车尾气排放温度、空压机进排气温度、机油温度、液压回路油温、变矩器温度、制动器温度等10多处温度监测。以上这些关键部件的温度，不仅是安全参数，也是矿用防爆无轨胶轮车保护保养的重要参数［2］。如发动机排气温度，行业标准要求低于68℃，高于此温度时，排放的气体中可能带有火花，会引燃机车运行环境中的瓦斯而引起安全事故；发动机冷却液是发动机机体循环冷却的重要介质，冷却液温度过高导致机体热量无法散发，发动机活塞拉缸烧瓦对发动机本身是致命损害。目前，一般采用热膨胀保护措施，通过膨胀液或者金属的热胀冷缩特性来实现温度保护，当温度过高时，金属延展片触点热胀导通，接通电磁阀回路，通过断气来停止发动机运转，从而达到热保护目的。通过金属延展片的热胀冷缩特性来监测温度，存在误差较大的问题，且下降特性非常不好，时间长。针对现有温度监测方法存在的问题，笔者设计了矿用防爆无轨胶轮车温度监测电路。
1温度监测电路传感元件选型
传统的集成式温度传感器（如AD590、DS18B20）无法满足矿用防爆无轨胶轮车测温方面的现场要求。集成式温度传感器一般监测范围为－20～＋125℃，而发动机表面温度高达148℃，集成式温度传感器无法满足发动机表面温度的监测要求。为此，笔者选择铂电阻作为矿用防爆无轨胶轮车温度监测电路的温度传感元件。铂电阻的电阻值会随着温度变化而改变，通过电阻与温度的对应关系，可计算出当前被测部件的温度。铂电阻的物理化学特性稳定，反应灵敏，应用范围广泛［3］。实际应用中以薄膜铂电阻居多，薄膜铂电阻用陶瓷和铂特制而成，将铂薄膜通过激光喷溅在陶瓷表层，然后覆盖以陶瓷，这样的工艺使得薄膜铂电阻能够承受高电压并具有良好的绝缘性，同时具有良好的防振和防冲击性，因而在高温下能够保持优良的稳定性，适合在－50～400℃温度下使用。矿用防爆无轨胶轮车温度监测电路将薄膜铂电阻封装在导热性好的金属材料内部，如铜质外壳，然后灌封导热硅脂，在外壳表面配以合适螺纹，安装到被测部件上。
2温度监测电路设计
2．1电路原理铂电阻的阻值变化范围为0．37～0．39Ω／℃，属于弱信号，一般采用差分比较，将微弱差分信号放大处理成单端信号，最后由微处理器采集计算。基于以上思路，设计了非线性电桥采集电路和运算放大电路来采集微弱变化的电阻信号值。温度监测电路原理如图1所示。在图1中，C1，C2，C3，C4，C5为工频滤波电容；VD4，VD5为TVS管，用于抑制瞬态脉冲以及静电；VD2为微处理器端口稳压管，与R7一起保护单片机端口；VD1为单向导通二极管，在ADC端口出现过压时VD1导通，使得ADC端口钳位在VDD＋0．7V，VD1与VD2、R7同时使用，对微处理器端口进行双重保护。信号传输过程：被测部件的温度变化通过热传导方式传导到铂电阻（XS1）上，导致铂电阻阻值发生变化；通过惠更斯电桥将变化的电阻值转换为差分电压信号并输出至运算放大电路，最后运算放大电路输出单端电压信号给微处理器采集计算。
2．2电路关键参数匹配电路设计中，运算放大电路采用单电源供电，＋Vs引脚接模拟电源A＋5V，－Vs引脚与模拟地线AGND接在一起。R5，R4，XS1和R3构成一个基本的惠更斯电桥电路；R5，R4为一支桥臂，XS1和R3组成另外一支桥臂。电桥参数配置充分考虑了铂电阻在0℃时的输出电阻误差，所以，在已知桥臂R5端并联了电阻R6，使得R5／／R6后略小于100．00Ω，各电阻的参数匹配见表1，各电阻的精度均为0．5％。电桥共模电压＋Vref可以通过代数计算消除，其值选定主要参考运算放大电路的最大输出电压与共模输入电压之间的关系［4］，如图2所示，一般＋Vref选在＋2V左右，使得输出电压无截止现象出现。
3温度监测电路数学建模及误差评估方法
为了反映被测温度传感器电阻值与温度监测电路输出电压之间的固定函数关系，建立了数学模型，给出了电桥的非线性计算方法以及由非线性方法提取的线性公式。实际计算中往往采用线性公式，且误差在可控范围之内。
3．1非线性计算方法图1中电桥输出的毫伏级差分信号经R1、R2后至运算放大器N1的2、3引脚，理论上N1的2、3引脚的压差。
3．2线性计算方法在实际应用中，由式（4）可演变为线性公式来取论上的非线性计算方法，达到简便计算的目的，且误差在可控范围之内。取式（4）曲线上零点和满量程两点对应的采样值和电阻值。如果在温度采集中，不标校零点和满量程温度点，则式（5）中的k，b值可直接使用，作为默认值写入软件中存储。如果需要精确的温度值，则需要标校，程序中根据两点重新计算k，b值并保存。不同的电路板，由于电子器件参数不一致性，k，b的值也不同。
3．32种计算方法的误差评估（1）误差范围计算。在实际计算中，如果不需要精确测量温度，允许测量误差在给定的误差范围之内，则式（4）和式（5）均能满足要求。如果需要精确测量温度，则需要用标准电阻器对零点和满量程温度点进行温度标校，如0，160℃。在软件程序处理上，记录零点温度和满量程温度时的模数转换采样值，重新计算线性方程的k，b值，并存入掉电保持存储器，以便后期使用。
4由电阻值计算温度值的3种方法
可通过如下3种方法实现由铂电阻值求得被测部件的温度。（1）公式计算法。《工业铂热电阻技术条件及分度表》在可控温度范围内给出了温度值与电阻值之间的计算公式。通过反函数（式（8））［3］计算当前部件的温度。以上3种计算方法中，公式计算法涉及数学计算开平方函数，浮点运算量较大，但软件代码简洁；分段线性计算法代码量较大，但当判断出温度在某一个区间后，执行指令较少；查表法采用“二分法”查表，代码量适中，但录入查表数据需要占据一定的code存储空间。综合考虑3种计算方法的优缺点，并结合温度监测电路的实际情况，本文采用查表法。
5结语
鉴于矿用防爆无轨胶轮车温度监测的重要性，选用薄膜铂电阻作为传感元件，设计了矿用防爆无轨胶轮车温度监测电路并建立数学模型。该电路利用非线性和线性计算方法计算出电阻值，再通过电阻值计算出被测部件的温度值。该电路已在WC5E、WC10E、WC40Y（D）等多种矿用防爆无轨胶轮车上使用。实际应用表明，该电路运行稳定，为矿用防爆无轨胶轮车电气执行部件可靠控制提供了稳定的基础支撑。
参考文献：
［1］戴志晔．煤矿井下无轨胶轮车的现状及应用［J］．煤炭科学技术，2003，31（2）：21－24．
［2］晏伟光．煤矿井下防爆柴油机车安全保护系统应用现状分析［J］．煤炭工程，2010（11）：108－110．
［3］李飞．防爆柴油机车自动保护装置测温方法研究［J］．工矿自动化，2012，38（11）：81－83．
［4］黄大勉，羊梅君．一种新的校正铂电阻传感器非线性的数学方法［J］．传感器技术，2004，23（6）：44－45．
铂电阻范文第3篇
[关键词]数字万用表 铂电阻 温度
一、引言
温度类仪器仪表的校验/测试工作,常规的方法是将温度测量一次热电偶、热电阻和二次显示仪表拆卸下来,送到实验室进行精密测量检定。但是,随着科学技术的快速发展工业用恒温箱或烘干箱制作更加精密,温度测量部分很难拆卸,且反复拆装会带来仪器设备不必要的损坏和人员安装错误造成不必要的损失。同时,实验室检测利用数字万用表实现温度类仪器仪表的现场测试工作周期较长,影响生产单位的正常工作,造成一定的经济损失。目前,我单位作为油田技术检测部门还不能实现对上述仪器仪表的整体测量工作,若新购置一台新设备需要花费几十万元的资金。为了节约成本,提高工作效率,本人根据多年的工作经验,并经过反复的理论分析和实践验证,提出利用数字万用表配接热电阻实现整体测温的一种新方法。该方法具有操作简单,适用性强,易于推广等特点。
二、工作原理
整套装置主要由6半数字万用表和工业铂电阻(Pt100)组成。接线方式采用四线制方法,可以消除引线电阻的影响。V1、V2分别接数字万用表的电压测量端,Ω1、Ω2分别接数字万用表的电阻测量端。在测量过程中数字万用表功能档置于欧姆“Ω”测量档。这样数字万用表所显示的电阻值即为热电阻累加实际值。将此热电阻值查《工业铂热电阻(Pt100)分度表》即得所测量温度值。整机工作原理框图如图所示:
三、热电阻的选择及改制
工业热电阻多为二线制或三线制(A、B级),建议采用三线制热电阻,但必须进行适当的改制即将三线制改四线制。三线制是在感温元件的一端引出两根引线,另一端引处一根引线,我们就是在一根引线端增加一根引线,实现四线制接法,以此消除引线电阻带来的影响,提高测量精度。感温元件涂以聚脂漆,四根引线装入有四孔的瓷珠套管中,然后装入金属套管或石英玻璃管中,最好用绝缘材料粉末充满其间,最后焊上封头即为改制完毕。
四、校验比对
为了验证整套装置的重复性,将热电阻放入100℃的恒温油槽中,与二等水银温度计(100℃点二等水银温度计修正值-0.11℃)进行比较,测量10次数据如下:
次数项目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
二等水银 温度计 99.89 99.89 99.89 99.89 99.89 99.89 99.89 99.89 99.89 99.89
热电阻温度值(℃) 100.1 100.0 100.1 99.9 100.1 100.1 100.0 99.9 100.0 100.1
计算得 S==0.0823(℃ )
测量结果取一次读数,故A类不确定度为UA=0.0823(℃)
测量结果的最大误差为:0.21℃
铂电阻范文第4篇
关键词： DFB激光器； 遗传算法； 神经网络； 温度控制
中图分类号： TN249?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）15?0164?03
Abstract： To solve the problems of nonlinearity and delay property existing in DFB laser temperature control system， the composite control structure based on genetic algorithm and neural network is proposed. In the system， the microprocessor as the system core processor is used to design the temperature control system， and the Pt resistance， TEC semiconductor refrigerator， temperature sensor and temperature control actuator are used as the control units. The neural network positive model was constructed to analyze the physical characteristics of the controlled object. The neural network control is used to map the control laws， and the fast searching ability of genetic algorithm is used to train the weight coefficient of neural network. The designed system was verified with the experiment. The results show that the temperature control accuracy of the system is ±0.002 ℃， the range of temperature control is 5～70 ℃， the overshoot is less than 8%， the designed system can realize the control effect of high precision and wide range， and has better engineering application value.
Keywords： DFB laser； genetic algorithm； neural network； temperature control
0 引 言
激光检测技术已经应用在许多工业领域，其中分布式（DFB）激光器的波长能够有效匹配甲烷和一氧化碳等气体的吸收峰，所以在很多领域利用它来检测气体的浓度。DFB激光器的波长主要与电流和温度有关，当电流保持不变时，DFB的波长与温度的变化关系[1?3]为0.2～0.3 nm/℃。因此，为了提高气体的检测精度，必须确保DFB激光器发光的波长准确且稳定，需要对它的温度进行精确控制[4?7]。
国内外有很多生产厂家和研究机构都在研究如何在较宽的温度范围内提高DFB激光器的温度控制精度。目前，国外的产品一般能够在-50～100 ℃的环境下正常工作，且控制精度不低于0.001 ℃。国内的产品一般只能在常温下工作，控制精度[8]仅为0.05～0.1 ℃。本文针对DFB激光器温度控制系统普遍存在的非线性和延迟性等问题，利用遗传算法和神经网络构造复合控制结构，实现在较宽的范围内对温度进行高精度稳定控制的效果。
1 硬件系统设计
1.1 系统总体方案
设计的基于遗传算法和神经网络的DFB激光器温度控制系统主要由铂电阻、恒流源、信号调整、驱动电路、A/D和D/A转换模块、控制器、LED显示和上位机等组成，总体框图如图1所示。
激光器的温度变化由温度传感器铂热电阻转变为电信号，经过信号调整和A/D转换将数据送给微处理器，与上位机设定的标准值进行比较计算得到偏差，再将该偏差信号由数字控制器处理和调整之后，经由D/A转换和驱动电路进入执行器件，对被控对象加热或者制冷，从而将DFB激光器的温度控制在特定值。
1.2 温度测量和处理
采用铂电阻Pt100作为系统的温度传感器，它具有工作温度范围大和稳定性好的优点。给铂电阻加载恒定的微小电流（1 mA左右），再通过测量铂电阻两端的电压来获取温度信号。对电压信号进行模数转换时，使用的芯片为ICL7109，分辨率高达244 ppm，能够直连微处理器，转换的速度为30次/s。在微处理器的控制下，电压信号由多路开关经ICL7109实现模数转换。同时，参考温度的信号由上位机和电位器分压得到。
在微处理器上对实际温度与参考温度进行比较，它们的差值由微处理器上设定的控制算法进行处理，得到相应的控制信号，该信号经数模转换芯片DAC0832处理和放大后驱动执行器件工作。这里的数模转换芯片为双极性输出，可以提供正向和反向的电压信号，从而实现加热或者制冷。
1.3 TEC驱动
采用热电制冷器（TEC）作为系统的温度控制执行器件。根据珀耳帖效应，当给TEC通过不同方向的电流时，即可实现TEC的制冷或加热，而调节它的电流大小即可改变它的加热或者制冷的输出大小[9]。为了快速地控制TEC的电流，采用MAX1968型的控制芯片，它能够直接控制电流，具有消除浪涌电流和减小噪声干扰的优点。它内置有基准电压源，当电压大于基准值时，实现加热的效果；相反，实现制冷的目的。
2 神经网络学习控制
2.1 神经网络正模型
3 实验结果与分析
由前述的分析来设计DFB激光器的温度控制系统，并用实验来验证系统设计的合理性和可行性。选取初始种群为60个染色体，其中每个染色体均有25个权系数，它们的变化范围为[[-2，4]]，进化代数的最大值为40代。实验室温度的初始值为20 ℃，设定期望的DFB激光器温度值分别为5 ℃，15 ℃，40 ℃和70 ℃，从零时刻启动温度控制过程，得到不同目标温度控制的实验结果，如图3～图6所示。
从图3～图6中可以看出，基于遗传算法和神经网络的控制算法可以使得DFB激光器的实际温度达到预期设定的温度值。对于低于室温的温度控制，超调量为8%，控制精度为±0.002 ℃；对于高于室温的温度控制，没有超调量，控制精度为±0.001 7 ℃。因此，本文设计的控制系统能够实现DFB激光器工作温度的精确控制，稳定度较高。
4 结 语
本文设计了基于遗传算法和神经网络的DFB激光器温度控制系统，系统使用微处理器、铂电阻和TEC半导体制冷器分别作为处理器、温度敏感器和温控的执行器件，通过构建复合控制结构，能够使得系统的输出达到期望值。实验结果表明，该系统能够实现DFB激光器温度的高精度和稳定控制，控制精度和控制范围分别能够达到±0.002 ℃和5～70 ℃，超调量低于8%，具有较好的推广应用前景。
参考文献
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[9] 徐广平，冯国旭，耿林.基于单片机控制的高精度TEC温控[J].激光与红外，2009，39（3）：254?256.
[10] 康伟.基于BP神经网络的DFB激光器恒温控制系统建模与仿真[J].激光杂志，2015，36（4）：59?62.
铂电阻范文第5篇
关键词：Modbus; 温度采集; PWM; DAC
中图分类号：TN915.04-34 文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)17-0202-03
Design of Multi-channel Temperature Acquisition Module with DAC Output
YUAN Jing, SHI Huo-quan
(MOE Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
Abstract： The module are designed to collect the multi-point real-time temperature information in industrial auto control occasions. The temperature measurement circuit is connected with the AD chip by the electronic switch to simplify the circuit structure. Based on MODBUS communication protocol, it communicates with the host via RS 485 network to ensure the versatility and real-time of the modules. An improved high-accuracy convert circuit (from PWM to DAC) was also designed to reduce the cost of the application circuit. The whole system is simple and stability.
Keywords： MODBUS; temperature acquisition; PWM; DAC
在化工产业，机械加工，工业制造等领域经常要考虑到温度对测量或加工的影响，因此对温度的测量和控制就显得尤为重要。特别在一些环境恶劣、干扰较强的使用场合，温度采集装置的稳定是实现测量与控制的首要环节。本文针对上述背景，设计了通用多通道检测模块。
1 系统结构和工作原理
模块采用单片机ATmega48为控制核心，多路恒流源测温电路通过电子开关CD4051与13位A/D转换器MCP3301相连，通过单片机控制3/8译码器74HC138进行通道选择；模块通过基于Modbus通信协议的RS 485接口与主机通信；并具有一路PWM转DAC电路。模块适用于与PLC等主机连接，各通道实时检测数据保存于各通道的保持寄存器中，当接收到主机读取命令时将数据发送。整体结构如图1所示。
2 系统硬件电路设计
系统主要硬件部分控制电路：MCU、温度测量电路、PWM转DAC电路、电源电路和RS 485通信电路。为了避免外连的通信电路影响内部测量电路，提高抗干扰性能，将通信接口电路通过光藕隔离，且工作电源具有两路隔离电源，本文采用开关电源，具有效率高、重量轻和体积小的特点，并可兼容交、直流24 V供电。本文在硬件部分主要介绍恒流源热电阻测温电路以及PWM输入的DAC电路。
2.1 热电阻温度测量电路
本模块的热电阻选用铂电阻Pt100作为温度传感器。在-50~+600 ℃中温范围内，与其他热敏元件相比，铂电阻温度传感器测量准确度高、测量范围大、稳定性好、抗干扰能力较强。
铂电阻测温电路主要有两种：桥式测温电路和恒流源式测温电路。
桥式测温电路主要是利用调整电桥的电阻参数，抵消电桥两端的电压波动，以突出热电阻变化引起的电压，当采用三线制时可以消除引线误差，
但存在非线性误差和电路相对复杂等问题［1］。
恒流源式测温电路利用稳定电压给热电阻以恒定电路流，
保证热电阻上的电压和其阻值变化成线性关系的。在保证基准电压源稳定的情况下，
可以简化电路结构，另外根据热电阻和输出电压线性关系，更加有利于温度的计算和校正。
恒流源式测温的基本应用电路如图2所示。
图2中虚框部分即为恒流源电路。运放U1A将输入的基准电压VREF转换为恒流源，激励热电阻RT。热电阻两端电压，经过U1B运放组成的双端输入单端输出放大电路，将信号放大10倍，即输出期望的检测电压信号。该输出信号通过电子开关与A/D转换芯片相连。
电子开关的通路电阻较小，仅为几百欧姆，而A/D测量电路一般呈现高阻态，其带来的误差可以忽略。
检测精度和模数转换芯片(A/D)的分辨位数有很大关系，一般单片机内带的A/D位数分辨率较低(ATmega48内含10位A/D)，不适合精确测量，而高分辨率的A/D芯片价格昂贵。本文兼顾了性能价格比，采用了外扩一片低成本的13位A/D芯片MCP3301。通过改进软硬件设计，实际测量结果证明可以保证误差不超过0.5%。
2.2 PWM转DAC电路
在电子和自动化技术的应用中，也经常需要提供模拟输出，如变送器和控制器类仪器，经常需要输出0~10 V,0~20 mA(或4~20 mA)的直流信号。高精度的数模转换器 (DAC)芯片或集成了DAC的单片机价格昂贵。应用单片机的PWM输出，经过简单的变换电路实现DAC，可以大大降低电子设备的成本。
通过一个低通滤波器就可以把PWM调制的数模转换信号解调出来，实现从PWM到DAC的转换［2］。ATmega48具有16位定时器的PWM输出功能，实现的DAC电路输出精度基本满足一般的工业控制场合。另外在一些环境恶劣、干扰较强的场合，模拟输出容易受到干扰，本文通过使用恒流方式驱动电路来提高DAC电路的负载和抗干扰能力。具体原理图如图3所示。
图3中单片机输出的PWM电压，经过基准电源VREF和开关管T1组成的整形电路进行整形，在A点的输出波形为理想的PWM波形，幅值由基准电源的准确度得到保证，再经过两级阻容滤波和一级跟随放大器，在B点得到直流分量，即MCU输出的调制PWM波在B点得到解调，实现了DAC功能。可得：
由式(3)可以看出无论负载电阻RL的值如何改变，并不影响DAC输出的电流值。这样设计的好处是可以方便地更改输出电阻RL，保证了模拟输出量值的准确度，提高了负载能力。
3 系统软件设计
系统的软件主要由温度测量程序和Modbus通信中断程序组成。
测温程序主要负责温度采集，主要工作在于建立热电阻温度和电阻值的分度表，并判断每路检测结果是否出现温度是否异常，是则重新测量。正确的测量结果将保存于保持寄存器，等待上位机读取。温度测量程序流程图如图4所示。
当模块接受到主机的读取命令时，则进入通信中断程序。Modbus协议是应用于工业控制上的一种通用通信协议。主要有两种通信模式：ASCII和RTU模式。由于在同样的波特率下，RTU比ASCII能够传送更多的数据，因此采用RTU模式来实现模块的Modbus通信［3］。它的消息帧格式主要有地址、功能码、数据、校验码构成。Modbus协议的通信中断程序流程图如5所示。
4 结 语
本模块采用了AVR单片机为控制核心，采用外扩一片低成本的13位A/D芯片，通过电子开关切换实现多路测温电路。设计了一种PWM转DAC电路。基于Modbus通信协议，通过RS 485网路与主机通信。结构简单，准确度高，通用性好。实际使用中，在高温和强干扰环境下，模块仍能正常工作。
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作者简介：
铂电阻范文第6篇
传感器芯体上面集成了测温电阻与加热电阻，测温电阻能实时监测传感器芯体的当前温度，且反馈到控制电路的输入端，作为温度误差信号的一个输入端，形成闭环控制。电路框图如图1所示，测温电路把当前芯体温度值转化为电压值，该值是一个微弱信号值，必须经过高信噪比前置放大电路放大到合适的电压输出值，再经过系统放大，然后输送给PID环节进行控制输出，控制输出产生宽度可调脉冲信号驱动加热电路，给传感器芯体加热。传感器当前温度与设定温度温差值越大，误差电压信号越大，经过PID控制输出脉宽开通时间越长，加热功率越大，反之亦然，从而实现了恒温控制。
二、系统控制设计
2.1温度与加热功率
传感器芯体温度与加载在芯体上的正热能与负热能大小有关。若传感器芯体温度维持在环境温度以上，则传感器芯体加载的正热能来自电能，由焦耳定律可以知道若给定电阻R上加热电流为I，加热时间为T，那么有I2RT的电能转换成热能；而传感器芯体加载的负热能可以是传感器芯体与周围环境的温度差而产生的热对流及热传导带来的热能转移。这种正热能与负热能对温度的影响体现为传感器芯体的加热功率与制冷功率，它们共同决定了传感器芯体的稳定温度。假设传感器芯体工作环境温度为25℃，传感器芯体气体浓度响应最佳温度为80℃，因热传导和热对流损失的负热能为某个可测量值且保持恒定，那么该点环境下芯体温度只与加热功率有关。如上所述，给芯体合适电流，那芯体就可以维持设定点温度，若环境温度上下波动，芯体加热与制冷的功率随温度发生变化，要使芯体继续维持在设定点温度，只需要调节芯体上电流的大小。在25℃环境下，实际测得加热功率与芯体温度的关系，加热功率为0．45W时芯体即可稳定工作在设定温度80℃。
2.2温度测量
为了更加准确地测量敏感芯体温度场的温度，在氢敏芯体上集成了一个测温电阻与一个加热电阻。测温电阻、加热电阻和氢敏电阻版图设计经过温度场仿真实现最佳耦合。因而测温电阻能真实反映氢敏电阻当前工作温度。测温电阻材料采用高纯铂电阻镀膜而成，实际测试的测温电阻温度特性，从图中可以看出测温电阻具有良好的温度线性关系。该测温电阻的温度系数因为采用薄膜沉积工艺制备，温度系数没有标准PT100大，但并不影响使用。电阻经过测温电桥检测，输出反映温度的电压信号。这个信号在控制区域非常微弱，为了提高温度测量精度，采用四线制检测电路，减少测温铂电阻引线长度与铂电阻通电电流对温度测量的影响。
2.3温度控制环路
通常温度系统是大惯性系统，具有较大的滞后性，往往需要具有超前调节的微分环节。气体传感器芯体体积很小，无论是加热还是制冷，芯体对温度都有快速响应，采用比例积分［3］控制就可以获得不错的效果。
2.3.1比例环节
比例环节具有快速调节能力，比例系数越大静差越小，过大容易震荡。电路如图4所示，其增益为－RP1／RP2，试验测试比例系数为－4时控制效果较好。
2.3.2积分环节
积分环节可以消除系统静差，当系统有稳态误差时，积分环节的输出会持续增大使得控制作用加强，从而减小稳态误差。积分系数越小，积分作用越明显，控制精度越高。积分电路如图5所示，其增益为－1／RI1CI1S，其中S为拉式算子。经调整时间常数RI1CI1为4．7s比较合适。采用PWM通断控制模式，能最大化利用加热功率。在导通瞬间，加热电压完全加载在加热电阻上，电流峰值会比较大，因此需要控制加热电阻合适的阻值。另外PWM控制存在完全导通的情况，虽然在本电路应用中不会带来坏的影响，但是为了调整最大加热功率以达到控制最大加热温度的目的，在PID输出环节采用稳压二极管，控制PID输出电压的幅度，保证PWM能够输出一定宽度的死区。
2.3.3微分电路
微分环境对输入快速变化的情况具有较大的反应输出，能提高控温系统对环境温度波动的快速响应能力。
2.3.4PWM产生电路
PWM电路［4］采用简单分立器件搭建，具体电路如图7所示，主要构成有比较器产生限阈值翻转波形，然后经过积分电路充放电产生标准锯齿波，锯齿波在与PID环节输出电压比较，产生脉宽随温度误差调整的波形，该波形输出给驱动加热电路。
三、实验结果
样机进行了稳定动态过程的短时间测试和稳定点长时间测试。短时间测试样机温度曲线，其中可以看出样机到达温度设定点90％的时间非常短，大概为120s，整体控温精度在0．15℃以内。当环境温度波动时控温点会随着扰动，很快就能回到设定的温度值，动态响应非常快。样机控温效果稳定点长时间监测曲线如图9所示，从该图可知整体控温精度在0．15℃以内更加明显，说明样机电路控温点不会随时间飘移，也不随环境缓慢变化的温度波动漂移。
四、结束语
铂电阻范文第7篇
在许多传统行业中，多路高精度温度采集系统是不可或缺的。电厂、石化行业、钢铁厂以及制药厂等企业使用了大量的各类测温器件，如热电阻、热电偶等，这些器件需要定期校准；在严格执行GMP规范的制药厂等企业，高温灭菌需要定期进行灭菌率的验证；在某些要求进行严格的温度控制的场合，也需要进行多点高精度温度测量。这些工作往往需要一多路高精度测温系统来完成。
在被测温度变化缓慢的情况下，可以使用多路扫描开关配以一个高精度测温表进行多路温度测量以及数据采集。但在温度测量点数目较多、被测温度变化较快的场合，如大量热电阻、热电偶的自动计量检定系统以及高温灭菌箱自动验证系统中，传统的扫描式多路温度测量系统不无法满足要求了。近年来，随着高精度A/D转换器件价格的不断下降以及A/D转换器件功能的不断完善，研制廉价的多路、快速、高精度温度采集系统成为可能。
美国德州仪器公司（TEXAS INSTRUMENTS）新近推出了一种功能很强的带24位A/D转换器的微处理器MSC1210。MSC1210具有一些增强特性，特别适合测量高精度温度、压力传感器等输出的微弱信号。
本文介绍以MSC1210作为测量、信号处理以及通讯核心的多路高精度温度采集系统模块。该系统测量通道易于扩充，温度测量精度高，可以快速地进行多路高精度温度测量。
图1 多路高精度测温系统框架
1 多路高精度测温系统框架
系统由主机与多个智能测温模块组成。模块与主机之间通过光电隔离的SPI接口进行通讯，使用带有CRC纠错的自定义指令集控制数据传输，主机带有计算机接口（RS232串口以及USB接口）。系统框架参见图1。
智能测温模块由MSC1210微转换器构成，模块本身具有完整的信号调理、A/D转换、数据修正计算及变换内部标准等功能。为了避免外部干扰对A/D转换的影响，SPI接口使用高速光电耦合电路，并采用模块自带的稳压电路供电。由于一个模块只能处理1～4路温度，因此可以同步进行多组模块的温度测量，大大加快了多点温度测量的速度。主机用来控制测温模块，从测温模块中读取温度数据并处理，同时完成人机接口以及其它功能。视应用场合的不同，主机可以使用多路类型的单片机，这里选用ATMEL公司的ATmega128。该款CPU采用Harvard流水线结构以及RISC指令，并具有较大程序容量（128KB）的FLASH，在16MHz主频下可以达到16MIPS的处理速度。
2 MSC1210的增强功能及使用注意事项
作为智能高精度测温模块的核心，MSC1210完成了微弱信号的多路切换、信号缓冲、PGA编程放大、24位∑-ΔA/D转换、数字滤波、数据处理、信号校准以及SPI通讯等功能。
MSC1210集成了一个8通道24位∑-ΔA/D转换器，采用8051兼容内核。与笔者之前使用的ADuC824相比，其有如下增强的功能：
（1）CPU工作频率可达33MHz，每条指令只需4个时钟周期，运算速度较快。
（2）采用非常灵活的FLASH与SRAM存储器配置，，可以对片上FLASH进行分区，根据需要设定程序FLASH与数据SRAM所占的比例。该写次数可达一百万次，数据可保存100年。
（3）片上RAM为1280B，有34个高电流驱动I/O，可以设外部存储器的存取时间，使用双数据指针提高存取速度，具有完善的节电功能，还用双数据指针提高存取速度，具有完善的节电功能，还有电压监视器、21个中断源、3个16位定时器计数器以及内部时间间隔计数器（TIC）。
（4）自带BOOT ROM，可以调试使用或在程序中调用内置固化程序，完成在线调试、数据采集、UART通讯以及读写FLASH等工作，方便了编程以及调试。
图2 标准热电阻测温模块硬件框图
（5）片上24位∑-ΔADC具有一些增强特性：8位输入通道可以任意配置为单端或差分输入；有快速、Sinc2、Sinc3三种数字滤波，同时有自动数字滤波功能，可以加快A/D转换输出；带PGA偏置DAC，可以不引入额外误差而扩大测量范围；自带一个32位累加器，可以对ADC输出数据作快速平均处理。
（6）自带高精度电压标准，精度为0.2%，漂移为5ppm/℃，可以节省空间以及器件成本，也可输出该电压标准或外接电压标准。
（7）片上16位PWM，可以作为DAC输出来源。
（8）增强的SPI接口可以使用DMA方式传输数据，在DMA方式下，可以间接寻址RAM，设定多达128B的发送接收FIFO；具有完整的端口驱动以及发送接收中断设定，适合大批量的数据传输，同时点用CPU资源较少。
MSC1210功能较强且易于使用，但因为是新器件，参考资料较少。笔者在使用过程中发现需要注意如下问题：
（1）MSC1210片内FLASH分区只能通过对HCR0以及HCR1这两个硬件配置寄存器事先编程来进行，在程序运行过程中无法设定或更改分区比例。在程序运行中读写FLASH时，要注意读写地址与调试时的地址不同，具体应参考存储器分配表；用户程序无法直接读写FLASH，调用BOOT ROM中的读写函数来进行；与AVR等芯片的EEPROM不同，写入FLASH之前必须先进行擦除操作，BOOT ROM中有可调和场擦除子程序，可以在汇编或C程序中调用。
（2）在做A/D转换时，每次更改PGA放大倍数需要重新校准，在需要频繁切换输入通道的场合，建议设定特殊寄存器ADCON1的SM1～0位为00，即进入自动模式数字滤波。这样当通道切换后，随着A/D采样次数的增强，数据滤波依次为快速转换、Sinc2、Sinc3数字滤波，可以最大限度地提高转换速度和转换精度。
（3）BOOT ROM中固化的程序对于MSC1210的编程和调试非常关键，其中部分可以在用户程序中直接调用，完成数据采集、UART输入输出等重要功能。可以通过串口或并口进行编程。
（4）使用TI提供的下载工具及调试终端，可以对MSC1210实现在线调试。这种调试会占用UARTO资源，同时辅助中断的入口地址也有变化，这在编程时需要注意。也可以利用Windows自带的超级终端进行调试。与TI终端不同，Windows超级终端不能自动初始化MSC1210使之进入调试状态，需要人工进行调试复位。
图3 标准热电阻测量以及信号调理电路
3 高精度测温模块的硬件描述
MSC1210最多可以配置4组差分输入通道：对于标准四线热电阻的测量，需要两组通道来分别测量驱动电流及电压；对于标准热电偶的测量，如果采用冰点作为冷端补偿，需要一组差分通道；如果采用自带冷端测量，则往往需要另外两组通道测量冷端热电阻的温度。因此，对于标准热电阻测量，同一个模块最多有两路测温通道；对于标准热电偶测量，如果用统一的冷端补偿，最多可以有4路测温通道。同一模块的不测温通道的切换需要时间稳定信号以及重新建立ADC测量输出，在有速度要求或需要进行多值平均的情况下，为了得到较快的测温速度，每个模块的测温路数会相应减少。这里介绍单通道标准热电阻测温模块，其硬件框图如图2所示。
模块采用独立的模拟供电（5V）和数字供电（3V）。在印制板设计上，数字地与模拟地分离，在MSC1210芯片下相连，同样，为了进一步减少外界和数字电路对模拟电路部分的干扰，SPI接口与外部之间采用高速光电耦合连接。所有的电源以及信号接口采用统一的两边插针形式，便于直接插入主机母板。这里将比较有特色的标准热电阻测量以及信号调理电路绘出，如图3所示。
在图3中，分压电阻R12与R13为运算放大器U2提供一个参考电压，在R10上产生一个恒定的电流，经Q1输出。为了减少高精度低温漂电阻的使用数量，R10、R12、R13均采用普通电阻。使用高精度低温漂电阻Rr作为电流检测电阻，将输出电压信号经R2、R3送往MSC1210的一组差分输入端，恒定电流通过四线标准铂电阻Rs，将产生电压经R4、R5送入MSC1210的另一组差分输入端，经MSC1210进行四线法测量电阻的计算，以消除铂电阻温度计引线的影响。R2、R3、R4、R5是限流电阻，防止输入电压过高损坏MSC1210；D1、R6、C12提供一个参考电压，使MSC1210有合适的差分电压输入。由于使用MSC1210的内置电压标准输出，电容C9、C10、C11是不可缺少的。MSC1210具有内置PGA（1～128），因此无需放大电路即可直接测量微弱信号。
4 高精度测温模块软件的描述
在多路高精度测温系统中，测温模块能独立进行数据采集、拟合修正、分度转换、与下位机的数据通讯，并通过SPI接口向上位机（主机）发送测量到的温度数据，接收上位机发来控制指令，进行参数设置及校准操作。与上位机通讯的指令采用不定长的ASC代码指令，用不同的信令头（SOT）代表不同的控制，并有CRC纠错以保证数据正确传输，信令有统一的结束码（EOT）。
在测温模块的MSC1210的程序功能中，分度转换是重要的组成部分，也是耗时较多的计算过程，这里简要说明一下。
对于高精度温度测量，需要考虑的一个重要问题是温度传感器的选择。对于热电阻与热电偶，有标准传感器与工业传感器之分，这里选择精度较高的标准传感器，并根据ITS-90国际温标以及中国相关计量检定规程进行分度转换。
与工业热电阻、热电偶不同，标准热电阻或热电偶的分度计算是一个比较复杂的问题，简单的查表计算或曲线拟合一般很难达到分度转换的精度要求。以标准铂电阻温度计为例，它使用一组规定的定义固定点和参考函数以及相应的差值函数内插，在0～419.527℃温区内，温度t由下列公式确定：
其中，Wr(t)为参考函数，Ci与Di为系统，ΔW8（t）为差值函数，W（t）为电阻比，a8与b8为具体标准铂电阻温度计的分度系数，可以通过具体温度计校准结果Wzn、Wsn、W100等参数计算得到。在选择了相应的热电阻之后，将该参数通过SPI接口的通讯控制指令输入测温模块。
铂电阻范文第8篇
【关键词】Lake Shore 低温传感器 温度测量 测温原理
在工业技术开发与应用领域中，低温测量技术是根据低温环境下物质特性的变化规律而开发研究和应用实现的一项技术方法，随着科学技术的不断发展提升，低温测量技术在空间以及高能物理、生物、军事等尖端科技领域中都有广泛应用。通常情况下，在进行温度环境的类型划分中，人们将低于120K的温度环境称为低温，将低于0.3K的温度环境称为超低温，在进行具体的温度测量中，通过多种测量实验验证，低温传感器由于本身的结构简单并且使用方便、进行温度测量的准确性比较高等优势，在低温环境下的温度测量应用中应用比较广泛并且普遍。本文将在对于Lake Shore低温传感器的主要应用类型分析基础上，以DT 670低温传感器为例，从测温原理以及封装校准、安装等方面，对其在实际中的应用进行研究分析，以促进该低温传感器在实际中的推广应用。
1 Lake Shore低温传感器的主要类型与特征分析
Lake Shore低温传感器是指由美国Lake Shore公司所生产制造的低温传感器设备，其在实际应用中的设备种类不仅比较多，并且温度测量的准确度以及可靠性、精确度等都比较突出，温度测量应用的范围也比较广。
Lake Shore低温传感器主要包括二极管以及正/负前温度系数、热电偶和电容温度计等多种低温传感器类型。其中，二极管低温传感器主要有硅二极管和砷化镓二极管两种低温传感器种类，其测量范围都在1.4K到500K之间，在实际应用中温度测量性能相对一般。其次，负温度系数的低温传感器主要有陶瓷电阻传感器以及锗电阻传感器、碳玻璃电阻传感器等不同类型，不同种类的负温度系数传感器在实际温度测量应用中的适用范围也有不同，其中，陶瓷电阻传感器以及氧化钌电阻传感器、碳玻璃电阻传感器的测量性能相对较好，而锗电阻传感器在实际测量中的应用相对比较少。再次，实际温度测量中所应用的正温度系数低温传感器主要有铂电阻低温传感器和铑铁低温传感器两种类型，其测量范围分别为14K-873K和0.65K-500K，在实际温度测量中性能相对较一般。最后，Lake Shore低温传感器还包括电容以及热电偶低温传感器等类型，其在实际测量应用中的测量范围以及性能也各不相同。下文将以二极管Lake Shore低温传感器中的DT670低温传感器为例，对其在实际中的测量应用进行研究分析。
2 DT 670低温传感器的应用研究
DT670低温传感器是一种二极管低温传感器。在实际温度测量应用中，DT670低温传感器主要是结合二极管PN结的正向压降和温度变化之间的关系进行生产制造的，并且DT670低温传感器的内部特性和四线精确测量设计特征，能够对于低温测量中热应力以及馈源升降等造成的机械振动引起的测量灵敏度变化进行很好的克服控制，具有较为突出的低温测量应用优势。此外，在DT670低温传感器的测量范围之内，如果温度测量的磁场强度在5T以上时，也会对于传感器性能以及测量结果造成影响，不宜进行测量应用。总之，DT670低温传感器工业低温测量中的适用性相对较强，并且具有能够实现芯片级产品制造实现以及在8K-20K测量范围内的IV特性比较温度、比铂电阻的低温测量互换性突出等作用优势，使得其在工业低温环境中的测量应用相对比较广泛，图1为DT670低温传感器的四线测量原理示意图。
在实际温度测量应用中，DT670低温传感器的封装样式相对比较多，主要通过镀金铜引线进行散热，在不同的封装样式中，DT670低温传感器的安装固定形式也不相同，主要有弹簧卡以及焊接、螺栓、孔插入、压力密封等多种安装固定形式。其中SD封装是DT670低温传感器进行工业低温测量应用的最为坚固的封装方式，对其温度测量应用性能有很好的保障。
3 结束语
Lake Shore低温传感器与其他低温传感器相比，不仅种类较多，其测量应用的精确度以及可靠性都相对比较突出，进行Lake Shore低温传感器的应用研究和分析，有利于促进其在实际测量中的推广应用。
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作者简介
朱芸（1982-），女，湖北省武汉市人。硕士学位。研究方向为机电一体化、电子与电气工程。