Pt電阻溫度傳感器批量測試系統的設計

一、引言

　　溫度傳感器應用廣泛[1]，其中Pt電阻溫度傳感器由于精度高、穩定性好、可靠性強、壽命長(cháng)，所以廣泛應用于氣象、農林、化纖、食品、汽車(chē)、家用電器、工業(yè)自動(dòng)化測量和各種實(shí)驗儀器儀表等領(lǐng)域。然而隨著(zhù)產(chǎn)量增加，其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的測試問(wèn)題成為影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題，研制開(kāi)發(fā)高性能價(jià)格比的測試系統，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的多通道信號調理模塊的原理及電路設計。


二、信號調理模塊的構成及工作原理

　　Pt膜溫度傳感器測試系統信號調理模塊的基本原理如圖1所示，整套測試系統一共有n個(gè)單元測量電路，能實(shí)現傳感器的多通道測量。每個(gè)單元測量電路采用四線(xiàn)制的方式進(jìn)行設計，而這種四線(xiàn)制的結構中需要一個(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轉換。為了提高測量精度，減小測量時(shí)外圍電路帶來(lái)的誤差，本設計采用了多路電子開(kāi)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)，只有當電子開(kāi)關(guān)組Ka和Kb組的第n個(gè)開(kāi)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)行參數的測量。

　　本系統采用了32個(gè)八選一的多路開(kāi)關(guān)器件CD4051和兩個(gè)74LS138組成電子開(kāi)關(guān)陣列，實(shí)現了對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(guò)放大電路后進(jìn)入MSP430單片機的進(jìn)行A/D轉換。


三、恒流源的設計

　　恒流源原理如圖2所示[3、4]。本測試系統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：

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

　?。?）、如果恒流源的電流值過(guò)小，在測試時(shí)輸出的信號就會(huì )很小，為了使測量的信號滿(mǎn)足A/D的要求就必須加大放大電路的放大倍數，這樣就加大了系統的誤差。綜合考慮上述兩個(gè)原因，本系統中恒流源的電流值定為0.5mA。恒流源電路設計中使用了TLC2652高精度斬波穩零運算放大器[2]和電壓基準源TL431。 TLC2652斬波穩零的工作方式使其具有優(yōu)異的直流特性，失調電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲等特點(diǎn)。TL431是一個(gè)有良好的熱穩定性能的三端可調的電壓基準源，它的輸出電壓可以在2.5V到36V范圍內設置。

　　在設計恒流源時(shí)，電壓基準源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，從而可以計算出流過(guò)R1的電流I1為0.5mA。TLC2652的2腳與其3腳虛斷，也就是說(shuō)TLC2652的2腳沒(méi)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(jìn)行A/D轉換之前必須經(jīng)過(guò)放大電路（如圖3所示）的放大。

　　本系統中放大電路的輸入信號在50mV～70mV之間，所用A/D轉換的電壓范圍為0V～2.5V，經(jīng)過(guò)計算，放大電路的放大倍數為35倍左右時(shí)可以滿(mǎn)足A/D轉換的要求。普通的運算放大器的輸入失調電壓一般在數百微伏以上，失調電壓的溫度系數在零點(diǎn)幾微伏以上。雖然輸入失調電壓可以被調零，但其漂移則是難以消除的。而斬波穩零型運算放大器TLC2652提供了一種解決微信號放大問(wèn)題的廉價(jià)方案。斬波穩零的工作方式使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調電壓為0.5μV（典型值）～1μV（最大值）；輸入失調漂移電壓為0.003μV/℃（典型值），失調電壓長(cháng)期漂移為0.003μV/月[3][8]。經(jīng)過(guò)計算，TLC2652的性能參數可以滿(mǎn)足本系統測量精度的要求，所以本系統的放大電路中的運放采用了TLC2652。


五、信號調理模塊的精度分析

　　對本測試系統在進(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。而本測試系統所用的A/D輸入電壓在0V～2.5V。本系統的恒流源的電流定為0.5mA。
　

　Pt電阻測溫時(shí)滿(mǎn)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電阻的測量精度達到0.1℃ ，取Δt=0.1℃帶入上式，可求得ΔR=0.0391W。即本系統所測的Pt電阻的阻值精度應為0.0391。故可算出系統的最大相對誤差γ總為3.91×10-4

　　整個(gè)系統的誤差包括：恒流源的誤差γ1，引線(xiàn)電阻Rn1、Rn2、Rn3和Rn4產(chǎn)生的誤差γ2，電子開(kāi)關(guān)Ka、Kb導通電阻產(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(lái)源有TL431的誤差γ11、TLC2652的誤差γ12及圖2中電阻R6的誤差γ13。假設系統工作環(huán)境的溫度變化ΔT=10℃， TL431的電壓的溫漂為20ppm/℃可以計算出：

　　　　γ11= 20×10-6×10=2×10-4

　　由TLC2652的輸入偏置電流為60pA（最大值）、輸入失調電流為60pA（最大值），可以計算出：

　　　　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/℃，可以計算出：

　　　　γ13=2×10-6×10=2×10-5

　　則：γ1= ≈2×10-4

2、引線(xiàn)電阻產(chǎn)生的誤差γ2

　　在本設計中，對Pt溫度傳感器進(jìn)行測試時(shí)采用的四線(xiàn)制接線(xiàn)方式可消除因連線(xiàn)過(guò)長(cháng)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(xiàn)電阻和接觸電阻，且阻值相同。Rn1、Rn2是電壓檢測回路的引線(xiàn)電阻，Rn3、Rn4是恒流源回路的引線(xiàn)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，遠遠小于Pt電阻溫度傳感器兩端的電壓的值，可忽略不計。Rn3和Rn4因為是和恒流源串聯(lián)連接，故也可忽略。因此γ2≈0。

3、電子開(kāi)關(guān)導通電阻產(chǎn)生的誤差

　　本系統的電子開(kāi)關(guān)采用了八選一的CMOS模擬開(kāi)關(guān)CD4051，其導通時(shí)的電阻約為幾百歐，但我們可以把Ka導通電阻看作恒流源電路中的運放的差模輸入阻抗的一部分。Kb的導通電阻可以看作放大電路中的運放的輸入阻抗的一部份，所以γ3≈0

4、放大電路的誤差

　　根據TLC2652特性可知，其輸入失調電壓為0.5μV～1μV；失調電壓漂移為0.003μV/ oC；假設系統工作環(huán)境的溫度變化ΔT=10℃ ，可以計算出放大電路的誤差γ4：

　　　　γ4=1×10-6+0.003×10-6×20≈0.5×10-6

　　所以信號調理模塊的最大測量誤差γ為：

　　　　γ= （3）

　　由于γγ總，所以此信號調理模塊的測量精度滿(mǎn)足要求。


六、結論

　　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、穩定可靠、通用性強等優(yōu)點(diǎn)，并且在溫度傳感器測試領(lǐng)域中有著(zhù)極為廣闊的應用前景，不但能解決Pt電阻溫度傳感器生產(chǎn)與檢測過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題，還可實(shí)現對Pt溫度傳感器的參數進(jìn)行高速、高精度、批量的測量。


參考文獻：

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[4] 蘇文平．新型電子電路應用實(shí)例精選[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2000：1-251