高精度温度测量
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参 考 文 献
1 李东 星、 陈小牧、 周立功 . PIC 16C 5X 系列单 片机应用设计 . 北京 : 电 子工业出版社 , 1996 图 2 传感器电路原理图 2 李东星、 林培 灿、 陈小牧 . PIC16CX X 系列单 片机应用 设计 . 高 奇电 子科技有限公司 , 1996
行 E P ROM , 用于存贮传感器参数及传感器节点地址 等信息。 由于 P IC 16C 54内部不含有通讯模块, 故需采 ( 上接第 29页 ) 通过显示器显示出来, 从而完成对温度的精密测量。 单 片机功能强大 , 数据处理速度快 , 满足了温度的快速实 时测量 , 使不断变化的温度值将实时地被显示出来。
收稿日期 : 1998- 12- 04 图 1 温度传感器外形图
周边用一钢丝通过环氧胶固定 , 这样既可保证铂电阻 应有的响应时间 , 同时又可以保护传感器的引线不被 折断。 当铂电阻与工件接触后, 铂电阻的阻值随温度的
第3 期 变化而变化, 其变化的阻值信号由引线引出。 2. 2 温度转换电路
元器件与应用 VR R ( 20℃ ) V R R ( 0℃ ) R1 R1 - R ( 0℃) R ( 20 ℃) - 1 - 1 RL RL
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( 6)
在温度转换电路中 , 我们把铂电阻的阻值变化通 过运算放大器转换为电压的变化, 如图 2所示, V R 是一 个基准电压, 给运算放大器 A 1提供一个合适的工作电 压 , 运算放大器 A 4 给 A 1 提供了负反馈回路, 此电路主 要是为了减少铂电阻的阻值与温度之间关系 的非线 性 , 运算放大器 A 2与外围元器件构成差分放大电路 , 再经过 A 3 的低通滤波, 最后输出 0 ～ 2V 的电压信号。 下面我们介绍一下改善铂电阻的阻值与温度之间非线 性关系的原理。
工业铂电阻 Pt 100。 这种铂电阻具有体积小、 精度高、 响应速度快等特点 , 非常适用于高精度温度测量场合。 我们利用 A 级薄膜工业铂电阻 Pt 100 作为温敏元 件设计了温度传感器, 其外形如图1所示, 铂电阻的
2 测量原理
2. 1 传感器 由于大型工件精密几何测量系统中, 温度的变化 范围是比较小的 , 基本是在室温下进行。 所以 , 传感器 的温度范围若能覆盖0 ～40 ℃即可满足要求。 在这样的 温度范围内, 一般热敏电阻都能满足要求, 但为了达到 较高的精度和较小的响应时间 , 我们选用了 A 级薄膜
= ± 0. 031℃
( 18)
4 结束语
( 1) 本温度测量系统精度较高 , 可达到± 0. 031 ℃ 以上, 适用于各种温度精密测量的场合。 ( 2) 采用非线性补偿电路, 大大改善了温度—电压 的线性度, 补偿了传感器的非线性误差, 大大提高了整 个测量系统的精度。 ( 3) 采用响应时间很短的铂电阻测温传感器 , 并使 用精度较高的 A / D 转换器, 通过单片机对数据进行处 理 , 使测量电路具有良好的动态响应特性, 从而使温度 测量具有良好的实时性。
- 3
( 1)
由于 0℃≤ t≤ 40℃ 3. 12B 故 B ′≤ 31. 2- R ( 40℃ ) 3. 12B = 31. 2- 1× 1. 1554 = 0. 104B ( 14) 从式( 14) 可以看出 , 改善后非线性大大降低 , 二次 项的系数约为原系数的 0. 1 倍, 在温度为 0～ 40℃之间 基本上呈现出良好的线性关系。 2. 3 电压测量原理 温度信号经电压转换电路转换成电压信号后输入 到 A / D 转换器 , 其原理框图如图 3 所示。 A/ D 转换器 采用4 位半的 A / D 转换器, 精度可达0. 0001V , 转换的 结果输入到单片机 , 经单片机数据处理后, 把温度值
Rt
若想使输出信号为线性 , 则应该有: V 40℃ - V 20℃ = V 20℃ - V 0℃ 把式( 4) 代入式( 5) 得: R ( 40℃ ) R ( 20 ℃) VR VR R1 R1 = R ( 40 ℃) R ( 20℃) 1 1 RL RL
( 5)
图 3 电压测量电路原理框图
( 12)
则二次方项的系数为: B′ = ( 13)
图 2 温度转换电路
铂电阻的温度特性 曲线在 0 ～ 850 ℃之间为抛 物 线 , 方程式如下: R t = R 0( 1 + A t + B t 2 ) 式中 A = 3. 90802× 10 / ℃ - 7 B = - 5. 802× 10 / ℃ R t ——温度为 t 时铂电阻的电阻值 R 0 ——温度为 0℃时铂电阻的电阻值 由图2中的 A 1放大电路可得: VR V V0 = - ( + ) R1 RL 又 V = - V0 Rt 故 V0 = V 0 - VR RL Rt VR R1 V0 = Rt - 1 RL ( 2) ( 3) Rt R1 ( 4)
参 考 文 献
1 DA . J ackson. T emperatu re Seneors . M eas. Sci . T echnol. 1994. 2 潘圣铭 . 温度计量 . 北京 : 中国计量出版社 , 1988.
Temperature Measurement with High Accureacy
Xu Di ngj ie Wang Wuyi H ar bin U niversit y of P olyt echnolog y, Harbin 150001 Wang Xi aoxia Jiam ushi Universit y , Jiam ushi Helongjiang 154007 Abstract : It is int ruduced in this paper the temperature sensor t aking t he A classe industr al f ilm pt-100 as t em perat ure sensing el em ent . T he nonl inearity of t he senso r is improved w it h t he hardware circuit . T he m easur ed dat a ar e pro cessed using a singl e chip micro com puter . T he accuracy eraluat io n of t he temperature m easur em ent is given in t his paper . Key Words: T em perat ure Sensing Elem ent , Senso r, Nonlinearit y
28
仪表技术与传感器
1999年
高精度温度测量
徐定杰 王武义 哈尔滨工业大学 哈尔滨市 150001 王晓霞 佳木斯大学工学院 黑龙江省佳木斯市 154007 【 摘要】 介绍了由 A 级薄膜工业铂电阻 P t 100作为温敏元件所构成的温度传感器, 并通过硬件 电路对传感器的非线性进行改善, 采用单片机对测量数据进行处理, 给出了温度测量的精度估计。 关键词 : 温敏元件 传感器 非线性
1 引言
在大型工件精密几何尺寸测量时, 整个系统处于 一个变化的温度场内 , 被测工件的尺寸随温度的变化 而变化。 若想测得准确的几何尺寸, 必须知道环境温度 的准确值 , 以便对测量的结果进行准确修正或为测量 提供准确稳定的温度环境。 所以 , 环境温度或工件温度 的测量准确与否将直接影响大型工件几何尺寸的测量 精度 , 这时 , 温度的高精度测量将起着非常关 键的作 用。
由式( 1) 可解得: 当 t = 0℃时 , R ( 0 ℃) = 1000 当 t = 20℃时, R ( 20℃ ) = 1077. 9 当 t = 40℃时, R ( 40℃ ) = 1155. 4 把式( 7) 、 ( 8) 、 ( 9) 代入式( 6) 可解得: R L = 31. 2k 把式( 10) 代入式( 4) 得 : Rt 25k V0 = Rt 131. 2k 把式( 1) 代入式( 11) 得 : 2. 5V V0 = 3. 12R 0 ( 1 + A t + Bt2 ) 2 31. 2 - R 0 ( 1 + A t + Bt ) 3. 12B 2 31. 2 - R 0 ( 1 + A t + B t ) ( 11) ( 10) ( 7) ( 8) ( 9)
2
U 3 = ± 0. 024℃ 则总误差 U 为: U = ± = ± U1 + U2 + U3 0. 022 + 0. 00052 + 0. 0242
2 2 2
( 17)
3 误来自百度文库分析
测温 误差大致 包括仪器 标定误差、 A / D 转换 误 差、 非线性补偿后的残余误差等 , 下面进行逐项计算。 3. 1 标定误差 这 里我们采 用二等铂 电阻标定 , 标定 误差为 ± 0. 02℃ , 若标定误差为 U 1, 则: U 1 = ± 0. 02℃ 3. 2 A / D 转换误差 A/ D 转换误差主要来源于分辨率的误差 , 该 A / D 转换器 的分辨率误差 为± 0. 5L SB, 当温 度达到 40 ℃ 时 , 对应的 A / D 转换器的电压输出为 2V , 则 A / D 转 换误差 U 2为 : 2 0. 0001 U 2 = 40 × 0. 5 × 1. 9999 ≈ 0. 0005 ℃ 3. 3 非线性补偿后的残余误差 通过分析计算 , 非线性补偿后的残余误差 U 3 为: ( 16) ( 15)
用软件仿真技术实现 , 图中 M AX485 为 RS485通讯接 口。 图中 P IC 16C 54单片机选用的是20MHz 时钟频率 , 若测量精度足够, 也可选用 4MHz 。
4 电路原理图
传感器电路原理图如图 2所示, 图中93C46为串
5 电路性能
软件校准技术可以消除一阶误差 ( 偏移量、 增益、 电容 C 的不精确、 电源电压波动, 温度等影响 ) , 当然 电阻 R C 和电容 C C 要 保证高精 度。 为了 降低测量 误 差 , 电阻 R C 和电容 CC 应选择低漂移的, 并将其数值 保存在程序中。 影响测量精度的主要的误差源是 : I/ O 脚的漏电流, 输入门槛电压的不确定性和时间测量的 不准确性( ± 1个指令周期时间) 。 如果采取实际标定方 法 , 用标定结果修正上述误差源 , 测量精度将会更高。
( 下转第 40页 )
40
仪表技术与传感器
1999年
± 5pF , 灵 敏 度 为 0. 1 ～ 0. 15pF / % RH 。 取 C M max = 63pF , 16 位分辨 率, 时钟 频率 20MHz , V H = 5V , V T = 3V, C C = 51pF , R = 10M , 则灵敏度 K = 2. 55 ～ 3. 83 个数/ % RH 。
1 李东 星、 陈小牧、 周立功 . PIC 16C 5X 系列单 片机应用设计 . 北京 : 电 子工业出版社 , 1996 图 2 传感器电路原理图 2 李东星、 林培 灿、 陈小牧 . PIC16CX X 系列单 片机应用 设计 . 高 奇电 子科技有限公司 , 1996
行 E P ROM , 用于存贮传感器参数及传感器节点地址 等信息。 由于 P IC 16C 54内部不含有通讯模块, 故需采 ( 上接第 29页 ) 通过显示器显示出来, 从而完成对温度的精密测量。 单 片机功能强大 , 数据处理速度快 , 满足了温度的快速实 时测量 , 使不断变化的温度值将实时地被显示出来。
收稿日期 : 1998- 12- 04 图 1 温度传感器外形图
周边用一钢丝通过环氧胶固定 , 这样既可保证铂电阻 应有的响应时间 , 同时又可以保护传感器的引线不被 折断。 当铂电阻与工件接触后, 铂电阻的阻值随温度的
第3 期 变化而变化, 其变化的阻值信号由引线引出。 2. 2 温度转换电路
元器件与应用 VR R ( 20℃ ) V R R ( 0℃ ) R1 R1 - R ( 0℃) R ( 20 ℃) - 1 - 1 RL RL
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( 6)
在温度转换电路中 , 我们把铂电阻的阻值变化通 过运算放大器转换为电压的变化, 如图 2所示, V R 是一 个基准电压, 给运算放大器 A 1提供一个合适的工作电 压 , 运算放大器 A 4 给 A 1 提供了负反馈回路, 此电路主 要是为了减少铂电阻的阻值与温度之间关系 的非线 性 , 运算放大器 A 2与外围元器件构成差分放大电路 , 再经过 A 3 的低通滤波, 最后输出 0 ～ 2V 的电压信号。 下面我们介绍一下改善铂电阻的阻值与温度之间非线 性关系的原理。
工业铂电阻 Pt 100。 这种铂电阻具有体积小、 精度高、 响应速度快等特点 , 非常适用于高精度温度测量场合。 我们利用 A 级薄膜工业铂电阻 Pt 100 作为温敏元 件设计了温度传感器, 其外形如图1所示, 铂电阻的
2 测量原理
2. 1 传感器 由于大型工件精密几何测量系统中, 温度的变化 范围是比较小的 , 基本是在室温下进行。 所以 , 传感器 的温度范围若能覆盖0 ～40 ℃即可满足要求。 在这样的 温度范围内, 一般热敏电阻都能满足要求, 但为了达到 较高的精度和较小的响应时间 , 我们选用了 A 级薄膜
= ± 0. 031℃
( 18)
4 结束语
( 1) 本温度测量系统精度较高 , 可达到± 0. 031 ℃ 以上, 适用于各种温度精密测量的场合。 ( 2) 采用非线性补偿电路, 大大改善了温度—电压 的线性度, 补偿了传感器的非线性误差, 大大提高了整 个测量系统的精度。 ( 3) 采用响应时间很短的铂电阻测温传感器 , 并使 用精度较高的 A / D 转换器, 通过单片机对数据进行处 理 , 使测量电路具有良好的动态响应特性, 从而使温度 测量具有良好的实时性。
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( 1)
由于 0℃≤ t≤ 40℃ 3. 12B 故 B ′≤ 31. 2- R ( 40℃ ) 3. 12B = 31. 2- 1× 1. 1554 = 0. 104B ( 14) 从式( 14) 可以看出 , 改善后非线性大大降低 , 二次 项的系数约为原系数的 0. 1 倍, 在温度为 0～ 40℃之间 基本上呈现出良好的线性关系。 2. 3 电压测量原理 温度信号经电压转换电路转换成电压信号后输入 到 A / D 转换器 , 其原理框图如图 3 所示。 A/ D 转换器 采用4 位半的 A / D 转换器, 精度可达0. 0001V , 转换的 结果输入到单片机 , 经单片机数据处理后, 把温度值
Rt
若想使输出信号为线性 , 则应该有: V 40℃ - V 20℃ = V 20℃ - V 0℃ 把式( 4) 代入式( 5) 得: R ( 40℃ ) R ( 20 ℃) VR VR R1 R1 = R ( 40 ℃) R ( 20℃) 1 1 RL RL
( 5)
图 3 电压测量电路原理框图
( 12)
则二次方项的系数为: B′ = ( 13)
图 2 温度转换电路
铂电阻的温度特性 曲线在 0 ～ 850 ℃之间为抛 物 线 , 方程式如下: R t = R 0( 1 + A t + B t 2 ) 式中 A = 3. 90802× 10 / ℃ - 7 B = - 5. 802× 10 / ℃ R t ——温度为 t 时铂电阻的电阻值 R 0 ——温度为 0℃时铂电阻的电阻值 由图2中的 A 1放大电路可得: VR V V0 = - ( + ) R1 RL 又 V = - V0 Rt 故 V0 = V 0 - VR RL Rt VR R1 V0 = Rt - 1 RL ( 2) ( 3) Rt R1 ( 4)
参 考 文 献
1 DA . J ackson. T emperatu re Seneors . M eas. Sci . T echnol. 1994. 2 潘圣铭 . 温度计量 . 北京 : 中国计量出版社 , 1988.
Temperature Measurement with High Accureacy
Xu Di ngj ie Wang Wuyi H ar bin U niversit y of P olyt echnolog y, Harbin 150001 Wang Xi aoxia Jiam ushi Universit y , Jiam ushi Helongjiang 154007 Abstract : It is int ruduced in this paper the temperature sensor t aking t he A classe industr al f ilm pt-100 as t em perat ure sensing el em ent . T he nonl inearity of t he senso r is improved w it h t he hardware circuit . T he m easur ed dat a ar e pro cessed using a singl e chip micro com puter . T he accuracy eraluat io n of t he temperature m easur em ent is given in t his paper . Key Words: T em perat ure Sensing Elem ent , Senso r, Nonlinearit y
28
仪表技术与传感器
1999年
高精度温度测量
徐定杰 王武义 哈尔滨工业大学 哈尔滨市 150001 王晓霞 佳木斯大学工学院 黑龙江省佳木斯市 154007 【 摘要】 介绍了由 A 级薄膜工业铂电阻 P t 100作为温敏元件所构成的温度传感器, 并通过硬件 电路对传感器的非线性进行改善, 采用单片机对测量数据进行处理, 给出了温度测量的精度估计。 关键词 : 温敏元件 传感器 非线性
1 引言
在大型工件精密几何尺寸测量时, 整个系统处于 一个变化的温度场内 , 被测工件的尺寸随温度的变化 而变化。 若想测得准确的几何尺寸, 必须知道环境温度 的准确值 , 以便对测量的结果进行准确修正或为测量 提供准确稳定的温度环境。 所以 , 环境温度或工件温度 的测量准确与否将直接影响大型工件几何尺寸的测量 精度 , 这时 , 温度的高精度测量将起着非常关 键的作 用。
由式( 1) 可解得: 当 t = 0℃时 , R ( 0 ℃) = 1000 当 t = 20℃时, R ( 20℃ ) = 1077. 9 当 t = 40℃时, R ( 40℃ ) = 1155. 4 把式( 7) 、 ( 8) 、 ( 9) 代入式( 6) 可解得: R L = 31. 2k 把式( 10) 代入式( 4) 得 : Rt 25k V0 = Rt 131. 2k 把式( 1) 代入式( 11) 得 : 2. 5V V0 = 3. 12R 0 ( 1 + A t + Bt2 ) 2 31. 2 - R 0 ( 1 + A t + Bt ) 3. 12B 2 31. 2 - R 0 ( 1 + A t + B t ) ( 11) ( 10) ( 7) ( 8) ( 9)
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U 3 = ± 0. 024℃ 则总误差 U 为: U = ± = ± U1 + U2 + U3 0. 022 + 0. 00052 + 0. 0242
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3 误来自百度文库分析
测温 误差大致 包括仪器 标定误差、 A / D 转换 误 差、 非线性补偿后的残余误差等 , 下面进行逐项计算。 3. 1 标定误差 这 里我们采 用二等铂 电阻标定 , 标定 误差为 ± 0. 02℃ , 若标定误差为 U 1, 则: U 1 = ± 0. 02℃ 3. 2 A / D 转换误差 A/ D 转换误差主要来源于分辨率的误差 , 该 A / D 转换器 的分辨率误差 为± 0. 5L SB, 当温 度达到 40 ℃ 时 , 对应的 A / D 转换器的电压输出为 2V , 则 A / D 转 换误差 U 2为 : 2 0. 0001 U 2 = 40 × 0. 5 × 1. 9999 ≈ 0. 0005 ℃ 3. 3 非线性补偿后的残余误差 通过分析计算 , 非线性补偿后的残余误差 U 3 为: ( 16) ( 15)
用软件仿真技术实现 , 图中 M AX485 为 RS485通讯接 口。 图中 P IC 16C 54单片机选用的是20MHz 时钟频率 , 若测量精度足够, 也可选用 4MHz 。
4 电路原理图
传感器电路原理图如图 2所示, 图中93C46为串
5 电路性能
软件校准技术可以消除一阶误差 ( 偏移量、 增益、 电容 C 的不精确、 电源电压波动, 温度等影响 ) , 当然 电阻 R C 和电容 C C 要 保证高精 度。 为了 降低测量 误 差 , 电阻 R C 和电容 CC 应选择低漂移的, 并将其数值 保存在程序中。 影响测量精度的主要的误差源是 : I/ O 脚的漏电流, 输入门槛电压的不确定性和时间测量的 不准确性( ± 1个指令周期时间) 。 如果采取实际标定方 法 , 用标定结果修正上述误差源 , 测量精度将会更高。
( 下转第 40页 )
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仪表技术与传感器
1999年
± 5pF , 灵 敏 度 为 0. 1 ～ 0. 15pF / % RH 。 取 C M max = 63pF , 16 位分辨 率, 时钟 频率 20MHz , V H = 5V , V T = 3V, C C = 51pF , R = 10M , 则灵敏度 K = 2. 55 ～ 3. 83 个数/ % RH 。