热电阻温度传感器课程设计

燕山大学
课程设计说明书题目:热电阻温度传感器的设计
学院（系）：电气工程学院
年级专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：吴飞陈颖
教师职称：副教授副教授
燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系
说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

年月日
燕山大学课程设计评审意见表
目录
摘要 (5)
第一章温度传感器的组成及原理 (5)
1 温度传感器的组成 (5)
2 工作原理 (6)
第二章PT100的原理 (6)
1 pt100的基本结构 (6)
2 pt100的分度值 (6)
3 pt100的结构 (7)
4 pt100的性能 (7)
第三章电路设计 (7)
1.采样电路设计 (8)
2 放大电路设计 (8)
3 模拟仿真电路 (9)
第四章数据库的建立 (10)
第五章参数及计算 (13)
参考文献 (14)
热电阻温度传感器的设
摘要
PT100是电阻式温度传感器的一种，电阻式温度传感器(RTD,Resistance Temperature Detector)－一种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。

大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,其中以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器,最为稳定－耐酸碱、不会变质、相当线性,最受工业界采用。

本文主要介绍温度传感器主要特点及其工作原理。

设计出其测温电路，并对其进行仿真得出结论。

主要设计的是大范围的测温，本文设计的传感器是测量-200℃~500℃的较大范围传感器。

关键字：Pt100 温度传感器设计
第一章温度传感器的组成及原理
1 温度传感器的组成
温度传感器由敏感元件和转换元件组成。

但是由于温度传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。

其中，敏感元件是指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件，是传感器中能直接感受被测量的部分。

转换元件是指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。

常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器相配合。

2 工作原理
热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。

第二章PT100的原理
1 pt100的基本结构：
pt100是电阻时温度传感器的一种，电阻式温度传感器是一种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。

大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,其中以铂(Pt)做成的电阻式温度检测器,最为稳定－耐酸碱、不会变质、相当线性,最受工业界采用。

PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)
其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为PT100。

R=100（1+0.00392T）
R-100=0.392T
T=（R-100）/0.392
T=2.551（R-100）
2pt100的分度值：
铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的，按0℃时的电阻值R(℃)的大小分为10欧姆（分度号为Pt10）和100欧姆（分度号为Pt100）等，测温范围均为-200~850℃.10欧姆铂热
电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于100欧姆的铂热电阻，只要用于650℃以上的温区；100欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区，虽也可用于650℃以上温区，但在650℃以上温区不允许有A 级误差。

100欧姆铂热电阻的的分辨率比10欧姆铂热电阻的分辨率大10倍，对二次仪表的要求相应地一个数量级，因此在650℃以下温区测温应尽量选用100欧姆铂热电阻。

3 pt100的结构：
本文虽然用现成的pt100，但我们仍然有必要看看其结构。

就结构而言，铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻。

工业铂热电阻也叫装配铂热电阻，即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属管或陶瓷管内，再安装上接线盒而成；铠装铂热电阻是将铂热电阻元件，过渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有坚实，抗震，可绕，线径小，使用安装方便等优点。

4 pt100的性能
PT100，电阻温度系数为3.9×10－3／℃，0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。

按IEC751国际标准，温度系数TCR=0.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R
=1000Ω）为统一设计型铂电阻。

铂电阻传感器有良好的长期稳定性,典型实验数据为：在400℃时持续30时,0℃时的最大温度漂移为0.02℃。

第三章电路设计
1.采样电路设计
放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，
在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图2-3所示，三运放中由A1、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3与R4、R5与R6，还包括A1
R1 VR
R2
Pt100
与A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。

随着微电子技术的发展，市场上出现了专用的高性能的仪用放大器，它的内部核心结构还是三运放，但是，采用微电子来解决刚才的参数匹配问题已不是什么复杂的问题。

Vout R
图二三运放结构的高性能放大器原理图
该放大器的特点为，差动输入，单端输出。

电压增益可由一个电阻 R
G 来确定,且增益连续可调,并有效地解决了后级负载对地连接的问题。

Al 、A 2组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出,并承担了全部的增益放大任务。

由于电路结构对称，增益改变时,输入阻抗不变。

反馈电阻R1=R2=10k ，放大器A1、A2的共增益、失调、漂移等误差均得到了相互补偿．后级A3的增益为 1 ，具有较高的共模抑制比和抗干扰能.
3模拟仿真电路
如图所示，5Ω的电阻是导线电阻，12v电源是电桥电源。

放大倍数主要由2Ω的电阻决定。

连接三个5Ω电阻的100Ω电阻为pt100，另一个100Ω电阻为高精度电阻和pt100在0℃的阻值相同。

桥路上的另两个电阻选取较大电阻10k Ω，是为了使流过pt100的电流较小，否则电流较大，pt100将自生产生热量，
是实际温度改变，导致测量不准确。

这样，通过电桥产生的小电压，通过放大电桥后转化为可用电压。

继而温度的变化影响电阻的变化，电阻的变化导致电压变化。

由电压的变化可求得温度的变化，故达到热电阻测温的效果。

图三模拟仿真电路
第四章数据库的建立
数据库的设计对应的温度对于pt100会造成固定阻值变化，一个固定的温度对应一个阻值。

一个固定的阻值对应一个固定的输出电压，该表中的电压是由已知电阻通过仿真电路所得。

由于本电路可测得温度范围较广，测量数据较多，所以每隔10℃或者5℃对其电压进行测量。

对于出现在每10℃中间的电压数据，可通过线性得到。

温度℃电阻Ω电压v 温度℃电阻Ω电压v
-200 18.49 -1.061 -25 90.19 -0.127
-190 22.80 -1.005 -20 92.16 -0.101
-180 27.08 -0.948 -15 94.12 -0.076
-170 31.32 -0.892 -10 96.09 -0.051 -160 35.53 -0.838 -5 98.04 -0.025 -150 39.71 -0.783 0 100.00 0.000 -140 43.87 -0.728 5 101.95 0.005 -130 48.00 -0.675 10 103.90 0.050 -120 52.11 -0,621 15 105.85 0.075 -110 56.19 -0.568 20 107.79 0.100 -100 60.25 -0.515 25 109.73 0.125 -90 64.30 -0.463 30 111.67 0.150 -80 68.33 -0.410 35 113.61 0.175 -70 72.33 -0.358 40 115.54 0.200 -60 76.33 -0.306 45 117.47 0.225 -50 80.31 -0.255 50 119.40 0.250 -45 82.29 -0.229 60 123.24 0.299 -40 84.27 -0.203 70 127.07 0.349 -35 86.25 -0.178 80 130.89 0.398 -30 88.22 -0.152 90 134.70 0.446
温度℃电阻Ω电压v 温度℃电阻Ω电压v 100 138.50 0.495 300 212.02 1.430 110 142.29 0.544 310 215.57 1.475 120 146.06 0.592 320 219.12 1.520 130 149.82 0.640 330 222.65 1.564
140 153.58 0.688 340 226.17 1.609
150 157.31 0.736 350 229.67 1.653
160 161.04 0.783 360 233.17 1.697
170 164.04 0.822 370 236.65 1.741
180 168.46 0.878 380 240.13 1.784
190 172.16 0.925 390 243.59 1.828
200 175.84 0.972 400 247.04 1.871
210 179.51 1.019 410 250.48 1.914
220 183.17 1.065 420 253.90 1.957
230 186.82 1.111 430 257.32 2.000
240 190.45 1.157 440 260.72 2.042
250 194.07 1.203 450 264.11 2.085
260 197.69 1.249 460 267.49 2.127
270 201.29 1.295 470 270.86 2.169
280 204.88 1.340 480 274.22 2.211
290 208.45 1.385 490 277.56 2.253
500 280.90 2.294
表：温度，电阻，电压对应表
对应的温度对于pt100会造成固定阻值变化，一个固定的温度对应一个阻值。

一个固定的阻值对应一个固定的输出电压，该表中的电压是由已知电阻通过仿真电路所得。

由于本电路可测得温度范围较广，测量数据较多，所以每
隔10℃或者5℃对其电压进行测量。

对于出现在每10℃中间的电压数据，可通过线性得到。

第五章参数及计算
1 测量范围：
-200—500℃
2 输出电压：
-2.0—3.0v
3差分电路放大倍数：
K=（（2+2*10）/2）/（10/10）=11
4灵敏度：
△Uo=△U1*K
△ U1=[（100+△R）/（10000+100+△R）-100/（10000+100）]E △Uo/△R=0.012v/Ω
总结
通过这次课程设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了对传感器这门课的学习成果。

虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。

但是我将在以后的学习中继续努力、不断完善。

这几天的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为
今后的发展打下了良好的基础。

并且感受到了学习理论知识并将其用于实践的快乐，达到了课程设计的预期目的。

通过本次设计，让我学到了一些在课堂学不到的知识和能力，如查找资料、筛选信息并将有用信息运用到实际中，很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发的能力。

同时也让我们学会了怎样更好的发现问题，解决问题，积累了一些解决问题的经验。

既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。

参考资料：
张玉龙等传感器电路设计手册中国计量出版社 1989年
杨宝清孙宝元传感器及其应用手册 2004
单成祥传感器的理论与设计基础及其应用国防工业出版社 1999年
吴桂秀传感器应用制作入门浙江科学技术出版社 2004。