ＷＺＰ型鉑電阻溫度傳感器Ｐｔ１０００信號(hào)的線性化處理

摘 要：在分析工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中廣泛使用的WZP型鉑電阻溫度傳感器Pt1000輸出特性的基礎(chǔ)上，采用恒流源的方法，通過在運(yùn)放同相輸入端增加調(diào)整電壓、增加輸出級(jí)放大電路、在電路中設(shè)置可變電阻、使用高精度穩(wěn)壓電源等措施，設(shè)計(jì)出溫度傳感器Pt1000信號(hào)處理綜合電路，該電路有效解決了溫度傳感器信號(hào)變換過程中的非線性和信號(hào)補(bǔ)償問題。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器;Pt1000;信號(hào)處理;線性

中圖分類號(hào)：TP702 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0516902

Signal Linear Processing Circuit Design for WZP-platinum Resistance Temperature Sensor Pt1000

ZHAO Hongmei，MI Qichao

(Pingdingshan Institute of Technology，Pingdingshan，467044，China)

Abstract：This article based on the study output characteristics of WZP-platinum resistance temperature sensor Pt1000 widely-used in industrial production and scientific research，using the method of constant-current source，adopting such measures through an input voltage adjustment to the integrated operational amplifiers and add output level amplifier and set high precision DC power supply.Designing the signal processing integrated circuit for temperature sensor Pt1000.The circuit effective solution to the issue of nonlinear and compensation in the process of temperature sensor signal transformation.

Keywords：temperature sensor;Pt1000;signal processing;linear

WZP型鉑電阻溫度傳感器Pt1000是利用元件電磁參量隨溫度變化的特性對(duì)溫度與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。因其線性度相對(duì)較好，耐氧化能力很強(qiáng)，并且溫度范圍寬，其測(cè)溫的范圍從－200 ℃~+650 ℃，目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中得到廣泛使用。該傳感器的信號(hào)處理電路需要完成將與溫度有關(guān)的電阻變化信號(hào)變換成統(tǒng)一的電壓信號(hào)。

1 Pt1000的輸出特性曲線

將Pt1000放入高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，將溫度設(shè)定為－30 ℃~+70 ℃，測(cè)得溫度傳感器在不同溫度下的電阻值，測(cè)得數(shù)據(jù)如圖1所示。在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，Pt1000輸出電阻值與溫度成一定的比例關(guān)系。但是在高溫和低溫條件下，有一定的偏差，需要在調(diào)理電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2 基本恒流源電路

鉑電阻溫度傳感器的信號(hào)處理電路可以采用恒壓源或恒流源，通過對(duì)恒壓源的研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中存在不穩(wěn)定，精度不高等問題，其原因是恒電壓工作時(shí)，除了鉑電阻本身的非線性誤差外，還會(huì)產(chǎn)生恒電壓工作電路的固有誤差，從而使得整個(gè)電路的系統(tǒng)誤差變大。因此本文設(shè)計(jì)采用的是恒流源的方法。

基本的恒流源電路見圖2，用鉑電阻RT代替反相放大器的Rf，根據(jù)反相放大器的公式可以得到：

3 帶同相輸入的溫度處理電路

理想溫度傳感電路在0 ℃時(shí)輸出電壓為0 V，而在圖1中RT=1 000-8 Ω，代入式(1)得到的Vo不為0，所以需要對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)零。實(shí)現(xiàn)的方法是在圖2中的運(yùn)放的同相端加一個(gè)輸入電壓進(jìn)行調(diào)整，如圖3所示。

所以只要k能調(diào)到合適的值，就可以使信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)零。但因?yàn)檫@只是理論上的計(jì)算，實(shí)際的運(yùn)放不是理想的，各個(gè)電阻也會(huì)由于溫度等的影響，阻值不會(huì)完全符合標(biāo)稱阻值。所以不固定R2和R3的大小，在實(shí)際中采用可變電阻進(jìn)行微調(diào)。

同相輸入端調(diào)整電壓的加入使得即使溫度升高，輸出電壓也會(huì)減小，因此為了保證信號(hào)在－30 ℃~+70 ℃時(shí)線性輸出-300~700 mV，在調(diào)零后再用一個(gè)放大電路對(duì)放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4所示。

圖4所示為反相放大電路，他不光可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)放大信數(shù)為A=R5/R4的放大效果，還可以將通過前級(jí)運(yùn)放反相了的電壓Vo1再反相，即變成了符合要求的正相電壓了。

4 線性化補(bǔ)充處理

經(jīng)過運(yùn)放1后的關(guān)系為式(2)所示。經(jīng)過運(yùn)放2的線性放大，若RT一定，Vo與Vi是成正比的，所以要保持線

性，Vi最好是一個(gè)定值，否則Vo的函數(shù)關(guān)系中便出現(xiàn)了Vi和RT兩個(gè)函數(shù)值，不能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量了。設(shè)計(jì)給出的電壓波動(dòng)范圍是±10%VCC，一定溫度下RT為定值，那么最后的Vo也有±10%的波動(dòng)，采用統(tǒng)一的R-T關(guān)系判斷，在測(cè)量范圍內(nèi)所得到的溫度誤差變?yōu)榱恕?0 ℃，這是不能容忍的。電路必須有可靠的高精度的穩(wěn)壓裝置，因此在電路實(shí)際工作中，不用自接供電的方式，可采用高精度的電壓基準(zhǔn)MAX6025提供標(biāo)準(zhǔn)的2-5 V電壓基準(zhǔn)對(duì)元件和電路進(jìn)行供電。

另外，由Pt1000鉑電阻值R與溫度T的關(guān)系可知，在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，Pt1000具有3-786 59 Ω/℃的高靈敏度，因此只需要選用通用型的運(yùn)放就可以了。所采用電阻的溫度系數(shù)匹配時(shí)，非線性誤差也可以不用考慮。

5 實(shí)際溫度傳感信號(hào)處理電路

實(shí)際溫度傳感信號(hào)處理電路見圖5，電路圖中的電容C是降噪電容器，實(shí)際取值1 μF，2-5 V電壓基準(zhǔn)由MAX6025提供。依據(jù)圖中給定參數(shù)，在進(jìn)行實(shí)際溫度測(cè)試前，首先要對(duì)其進(jìn)行調(diào)零和調(diào)滿。用精密可調(diào)電阻代替Pt1000連接到電路中，改變阻值使其等于0 ℃時(shí)的等效電阻1 000-8 Ω，調(diào)可變電阻R5，使輸出電壓為0，再改變精密可調(diào)電阻值到70 ℃的1 265-8 Ω，調(diào)可變電阻R6，使輸出為700 mV，完成調(diào)零和調(diào)滿。該電路經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到很好的溫度傳感效果。

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作者簡介 趙紅梅 女，1972年出生，現(xiàn)任平頂山工學(xué)院電氣與電子工程系教研室主任。現(xiàn)從事電子技術(shù)教學(xué)和研究。

米啟超 男，1973年出生，河南襄城人，平頂山工學(xué)院電氣與電子工程系講師。現(xiàn)從事電工電子技術(shù)教學(xué)、實(shí)踐及研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”