4    Pt100熱電阻的測溫電路

4．1 總體電路圖

圖1 兩線制接法橋式測溫電路

4．2 工作原理

測溫原理：二線制是用電橋法測量，最后給出的是溫度值與模擬量輸出值的關系。電流回路和電壓測量回路合二為1。

電路采用TL431和電位器VR1調節產生4.096∨的參考電源：采用R1，R2，VR2，PT100構成測量電橋（其中R1=R2,VR2為100Ω精密電阻），當PT100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個ｍＶ級的壓差信號，這個壓差信號經過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉換芯片。差動放大電路中R3=R4，R5=R6,放大倍數=R5/R3.運放采用單一5V供電。

5Pt100熱電阻的測溫電路的原理及實現

5．1 測溫電路的工作原理

1．工作原理

與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。
金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示，即
Rt=Rt0[1+α（t-t0）]
式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時對應電阻值；α為溫度系數。
半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為
Rt=AeB/t
式中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導體材料的結構的常數。
相比較而言，熱敏電阻的溫度系數更大，常溫下的電阻值更高（通常在數千歐以上），但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩定性好、性能可靠，在程控制中的應用極其廣泛。
    2.熱電阻的信號連接方式

熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業用熱電阻安裝在生產現場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響。
目前熱電阻的引線主要有三種方式
    ○1二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合
    ○2三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業過程控制中的最常用的引線電阻。
    ○3四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表�？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。                       在本次設計中，實驗室采用了二線制接法。
    3.熱電阻的結構形式

和熱電偶溫度傳感器相類似，工業上常用的熱電阻主要有普通裝配式熱電阻和鎧裝熱電阻兩種型式。
    普通通裝配式熱電阻是由感溫體、有銹鋼外保護管、接線盒以及各種用途的固定裝置級成，安裝固定裝置有固定外螺紋、活動法蘭盤、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護管等形式。鎧裝熱電阻外保護套管采用不銹鋼，內充高密度氧化物絕緣體，具有很強的抗污染性能和優良的機械強度。與前者相比，鎧裝熱電阻具有直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應時間快、使用壽命長的優點。
對于一些特殊的測溫場合，還可以選用一些專業型熱電阻，如，測量固體表面溫度可以選用端面熱電阻，在易燃易爆場合可以選用防爆型熱電阻，測量震動設備上的溫度可以選用帶有防震結構的熱電阻等。

5．2 測溫電路的實現

1.同幅度調整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大小；

2.改變R5/R3的比值可改變電壓信號的放大倍數，以便滿足設計者對溫度范圍的要求；

3.放大電路需接成負反饋方式，否則放大電路不能正常工作；

4.VR2為滑動變阻器，調節滑動變阻器的阻值大小可以改變溫度的零點設定，例如，PT100的零點溫度為0℃，即0℃時電阻為100Ω，當阻值調節到109.855Ω時，溫度的零點就被設在了25℃。測量滑動變阻器的阻值時須在沒有接入電路時調節，這是因為接入電路后測量的電阻值發生了改變；

5.理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號*放大倍數，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非由這樣的關系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為4.096*（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2))式中電阻值以電路工作時量取的為準。

    6.電橋的正電源必須接穩定的參考基準，因為如果直接接VCC的話，當電網波動造成VCC發生波動時，運放輸出的信號也會發生改變，此時再到VCC未發生波動時建立的溫度-電阻表中去查表求值時就不正確了，這可以根據上式進行計算得知。

7.理論分析完后，將電路圖刻在板子上，然后經過刷漆，腐蝕，焊板，調試等一系列過程后，進行下一步測量結果。

5．3 測量結果及結果分析

一．檢測結果：

• 首先，把Rpt100=110Ω，R1=2000Ω，Rvr2=100Ω算出理論的輸出電壓值          為0.0179V；
  

當溫度升高時Rpt100=111.5，R1=2000Ω，Rvr2=100Ω時，算出理論的輸出電壓值為0.0207V；

• 放大倍數為100倍，用萬用表測出輸出電壓為1.75mV；
  

將鉑電阻的溫度升高一些后，再測量出輸出電壓為1.98mV。

二．結果分析：

測量出的電壓輸出值與其理論值有些出入，分析原因可能及改進方法有以下幾點：

• 在萬用表測量其輸出電壓時，不同的時刻讀到的值不同，造成一定誤差。可采用更精確的測量裝置能減小誤差。
• PT100引線電阻隨著溫度變化對實驗結果造成影響。實際應用中常采用三線制或四線制接線方式，但實驗室提供的PT100只有兩根引線，無法減小引線電阻變化的影響。
• 測溫電路本身的非線性等原因。此項誤差由電路設計保證，非常小，可以忽略不計。
  

6   制作過程及注意事項

6．1 制作過程

• 按照電路圖，利用protel99SE軟件畫出PCB圖，按照尺寸將PCB布線圖用復寫紙畫到覆銅板上；
• 用直徑為1.0mm的電鉆鉆頭在PCB板上按位鉆孔；
• 按照之前的布線軌跡，用細毛筆涂油漆的方法覆蓋所有布線軌跡，描好后晾干，為了漂亮，還可以用小刀把線條修整齊；
• 把以上步驟做好的板子放入三氯化鐵溶液中，因為腐蝕的速度與腐蝕液的濃度，溫度及腐蝕過程中采取抖動有關，因此為了保證制板質量及提高腐蝕速度，可以采用抖動和加熱的方法；
• 用溶液將板子腐蝕完畢后用自來水將板子沖洗干凈；
• 用洗甲水將板子上殘留的油漆洗干凈至露出覆銅；
• 按照電路圖，將相應的元件按照原圖焊接到板子的相應位置；
• 焊接完畢后，進行調試及測量，并對結果進行分析。
  

6．2 注意事項

一般來說，造成硬件問題的首要問題就是焊接了，也就是說焊接的好與壞直接響產品的正常運行。造成焊接質量不高的常見原因是:

1．焊錫用量過多,形成焊點的錫堆積；焊錫過少,不足以包裹焊點。

2．冷焊。焊接時烙鐵溫度過低或加熱時間不足,焊錫未完全熔化、浸潤、焊錫表面不光亮(不光滑),有細小裂紋。

3．夾松香焊接,焊錫與元器件或印刷板之間夾雜著一層松香,造成電連接不良。若夾雜加熱不足的松香,則焊點下有一層黃褐色松香膜；若加熱溫度太高,則焊點下有一層碳化松香的黑色膜。對于有加熱不足的松香膜的情況,可以用烙鐵進行補焊。對于已形成黑膜的,則要"吃"凈焊錫,清潔被焊元器件或印刷板表面,重新進行焊接才行。

4．焊錫連橋。指焊錫量過多,造成元器件的焊點之間短路。這在對超小元器件及細小印刷電路板進行焊接時要尤為注意。

5．焊劑過量,焊點明圍松香殘渣很多。當少量松香殘留時,可以用電烙鐵再輕輕加熱一下,讓松香揮發掉,也可以用蘸有無水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊劑。

6．焊點表面的焊錫形成尖銳的突尖。這多是由于加熱溫度不足或焊劑過少,以及烙鐵離開焊點時角度不當浩成的內。
　　最小系統的電路不工作，首先應該確認電源電壓是否正常。用電壓表測量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否符合電源電壓，常用的是5V左右。接下來就是檢測復位引腳的電壓是否正常，EA引腳的電壓要正常為5V左右。

還有就是要注意三氯化鐵溶液，雖然三氯化鐵溶液對人體皮膚不會有不良影響，但是如果三氯化鐵溶液滴到衣服或地面上那是難以洗掉的，所以使用時應該特別小心。

印刷板制作工藝存在的問題：

印刷版各線條應根據需要合理的布局，否則上油漆時就容易碰觸而造成短路現象，所以在上油漆時應該特別認真，避免兩條線接觸到。如果不小心兩條線接觸在了一起，則應該用小刀劃開。

• 總結
  

此次課程設計，是由兩個人共同完成的，由于本學期剛剛結束的課程———傳感器與檢測技術的學習，使我們對于熱電阻測溫度的設計電路更加熟悉，每一個步驟都貫穿著剛剛學過的傳感器的內容，使我了解到傳感器與檢測技術這門課程的重要性。

從剛開始的看到設計圖，到拿到元件、芯片及板子，再到自己親自動手制作PCB板，最后到焊完板子后的調試及測量，我們經歷了大概一周的設計、制作及焊接，在這個過程中，我們也遇到很多問題，但是并沒有氣餒，積極向老師和同學請教，并且一遍又一邊的重復實驗，直到調試成功。而且，我們的努力也沒有白費，通過認真嚴謹的設計態度給我們帶來了成功的喜悅。

通過這次傳感器課程設計，我掌握了設計一個傳感器電路的方法和基本步驟，實際解決了設計中出現的問題，增強了尋找問題，解決問題的能力。培養了我們的設計思維，增加了實際操作能力。此次傳感器課程設計的成功不僅幫助我們更好的掌握書本知識，尤其重要的是增強了我們的自信，培養了我們獨立思考的能力。

• 致謝
  

    首先，此次設計是由兩人共同努力完成的，所以我要感謝我的搭檔，因為她一絲不茍的努力，才完成了這個設計。還要感謝老師和同學在我遇到問題時，不厭其煩的幫我檢測及調試，給我講解電路的實際應用原理，以及各個元件的功能，使我在此次設計中學習到了曾經沒有學的很扎實的內容。

這個設計基本全部有我們自己動手完成，包括PCB板的制作、焊接及調試、測量，其中的各個步驟，老師都有認真耐心的講解和檢查，才使得我們都成功的完成了設計，很多問題的講解使我對于傳感器這個新的科目有了更多的了解，感謝老師的教導。

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2018-12-13 11:38 上傳

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