Pt100热电阻的应用设计案例

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热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用*多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度 检测精度要求比较高的场合,这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等,它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、 加工容易等特点。用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。

温度测量系统应用广泛,涉及到各行各业的各个方面,在各种不同的领域中都占有重要的位置。从降低开放成本扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发,设计一种以Pt100铂热电阻为温度信号采集元件的传感器温度测量系统。才测量系统不但可以测量室内的温度,还可以测量液体等的温度,在实际应用中,该系统运行稳定、可靠,电路设计简单实用。

一、传感器概况

传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息传递给其他装置或器官。

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

“传感器”在新韦式大词典中定义为: “从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。

二、传感器的作用

人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。

新技术**的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或*佳状态,并使产品达到*好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到 cm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到 s的瞬间反应。此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息, 没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。

由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。

三、传感器的原理

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成 电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供±15V电源,激磁电 路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组 成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV 级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级 线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪 表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽, 因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。

3.1 设计目的

1.通过对铂电阻测温的研究,采用以运算放大器电路为基础的校正补偿方法,结合算法简单、校正精度高的线性插值"软校正"方法,有效地解决铂电阻测温电路的非线性误差问题,提高了测量精度。完成PT100电阻测温电路的设计到完工的全过程。

2.通过本次课程设计,提高我们的动手能力,并且让我们深刻了解到一个电路板从设计到完工的全部过程。提高我们的合作能力与团结互助精神。为我们以后的学习和工作打下坚实的基础。

3.掌握控制系统的基本概念、基本理论,熟悉控制系统的安装,调试与运行的基本知识。

4.在学习过程中,学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息,并运用比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工。

5.能对自已的学习过程进行计划、反思、评价和调控,提高自主学习的能力。

6.通过理论实践一体化的学习过程,深入了解实践与理论之间的相互关系。

7.通过各种实践活动,思考优化实践的过程和方法,并尝试改进,尝试运用技术和研究方法解决一些工程实践问题。

8.通过实践活动,培养质疑意识,具有分析、解决问题的能力。

3.2 设计要求

1.按照实验原理:以获得被测量温度的两线制铂热电阻、一运算放大电路及一调零电阻;所述两线制铂热电阻包括一正端子、一负端子,其特征在于,所述恒流源连接所述两线制铂热电阻的正端子,所述运算放大电路的输入端接所述两线制铂热电阻的正端子,所述调零电阻的一端连接所述两线制铂热电阻的负端子,其另一端接入电路中;该放大器的输出电压和热电阻的电阻变化值成线性关系。

2.要求学生掌握原理后,自己设计出电路图并将电路刻在板子上,经过一系列的刷漆,浸泡,焊接等过程完成PT100电阻测温电路的实现。

3.掌握检测仪表与传感器的工作原理、使用和工程选用方法,能根据要求选用和使用常用传感器。

4.掌握简单控制系统分析、应用方法和初步具备单回路控制系统的能处理典型系统的一般故障,具有了解过程控制技术应用新动向和进一步学习过程控制技术的能力。

3 元器件清单

6 制作过程及注意事项

3.3 制作过程

1.按照电路图,利用protel99SE软件画出PCB图,按照尺寸将PCB布线图用复写纸画到覆铜板上;

2.用直径为1.0mm的电钻钻头在PCB板上按位钻孔;

3.按照之前的布线轨迹,用细毛笔涂油漆的方法覆盖所有布线轨迹,描好后晾干,为了漂亮,还可以用小刀把线条修整齐;

4.把以上步骤做好的板子放入三氯化铁溶液中,因为腐蚀的速度与腐蚀液的浓度,温度及腐蚀过程中采取抖动有关,因此为了保证制板质量及提高腐蚀速度,可以采用抖动和加热的方法;

5.用溶液将板子腐蚀完毕后用自来水将板子冲洗干净;

6.用洗甲水将板子上残留的油漆洗干净至露出覆铜;

7.按照电路图,将相应的元件按照原图焊接到板子的相应位置;

8.焊接完毕后,进行调试及测量,并对结果进行分析。

3.4注意事项

一般来说,造成硬件问题的首要问题就是焊接了,也就是说焊接的好与坏直接响产品的正常运行。造成焊接质量不高的常见原因是:

1.焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积;焊锡过少,不足以包裹焊点。

2.冷焊。焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮(不光滑),有细小裂纹。

3.夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接**。若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜;若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。对于有加热不足的松香膜的��况,可以用烙铁进行补焊。对于已形成黑膜的,则要"吃"净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。

4.焊锡连桥。指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。

5.焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。

6.焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙铁离开焊点时角度不当浩成的内。

*小系统的电路不工作,首先应该确认电源电压是否正常。用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压,看是否符合电源电压,常用的是5V左右。接下来就是检测复位引脚的电压是否正常,EA引脚的电压要正常为5V左右。

还有就是要注意三氯化铁溶液,虽然三氯化铁溶液对人体皮肤不会有**影响,但是如果三氯化铁溶液滴到衣服或地面上那是难以洗掉的,所以使用时应该特别小心。

印刷板制作工艺存在的问题:

印刷版各线条应根据需要合理的布局,否则上油漆时就容易碰触而造成短路现象,所以在上油漆时应该特别认真,避免两条线接触到。如果不小心两条线接触在了一起,则应该用小刀划开。

3.5 总结

此次课程设计,是由两个人共同完成的,由于本学期刚刚结束的课程———传感器与检测技术的学习,使我们对于热电阻测温度的设计电路更加熟悉,每一个步骤都贯穿着刚刚学过的传感器的内容,使我了解到传感器与检测技术这门课程的重要性。

从刚开始的看到设计图,到拿到元件、芯片及板子,再到自己亲自动手制作PCB板,*后到焊完板子后的调试及测量,我们经历了大概一周的设计、制作及焊接,在这个过程中,我们也遇到很多问题,但是并没有气馁,积极向老师和同学请教,并且一遍又一边的重复实验,直到调试成功。而且,我们的努力也没有白费,通过认真严谨的设计态度给我们带来了成功的喜悦。

通过这次传感器课程设计,我掌握了设计一个传感器电路的方法和基本步骤,实际解决了设计中出现的问题,增强了寻找问题,解决问题的能力。培养了我们的设计思维,增加了实际操作能力。此次传感器课程设计的成功不仅帮助我们更好的掌握书本知识,尤其重要的是增强了我们的自信,培养了我们独立思考的能力。

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