铂电阻温度传感器测温研究王振廷

铂电阻温度传感器测温研究王振廷

王振廷

中国电子科技集团公司第49研究所黑龙江省哈尔滨市150001

摘要：铂热电阻已被公认是温度敏感元件中准确度和重性好的传感器。它具有测温范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等特点，常被用作国际标准温度计，并应用于各种测温场合。在智能温度检测中，温度测量电路的典型用法是前端采用不平衡电桥测量铂电阻随温度变化的毫伏信号输出，再经过放大和转换，传送到单片机中进行运算和处理。由于不平衡电桥的非线性特性以及铂电阻的阻值和温度之间的非线性特性，给最后的温度测量带来了很大的误差。本文分析了铂电阻温度传感器测温。

关键词：铂电阻温度；传感器；测温；

铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器,铂电阻具有测量范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等特点,被用来作为0～926℃温度区内的国际标准温度计。

一、铂电阻温度传感器测温

1.铂电阻温度传感器的三种引线方式。根据测温传感器引线方式的不同，铂电阻分为二线制、三线制和四线制三种，三种引线方式各有特点，二线制引线

方式具有引线简单，但存在的问题是测量误差较大，在测量中不可避免的引入线电阻误差，仅适合于测量精度要求不高的场合。三线制引线方式采用一端引线为两根线，另一端引线为一根的方式，工业上一般都采用三线制接法，三线引线方式引出的3根导线截面积和长度均相同，通常三线制电阻采用不平衡电桥法进行测量，在测量时可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。四线制引线方式中有两根线为供电电源线，另外两根为信号线。电源和信号是分开工作的，该方法可以有效的去除线电阻。如果待测电阻的阻值与导线电阻相当甚至远小于导线电阻时就只能采用四线制的测量方法，该方法测量精度较高，但该方法需要传感器产生4根引线，在长距离传输过程中会增加成本以及整个测试系统的重量，不能满足某些特殊行业要求，主要用于高精度的温度检测。

2.传感器异常情况下采集结果。在铂电阻测温系统中，铂电阻传感器的工作环境通常比较恶劣，从传感器引线端到测量系统的引线通常达十余米，在设计时对引线的保护也非常重要，要避免出现断开以及相互短路的现象发生，在某些特殊领域，系统要求当出现类似的故障时测量系统应当能够主动识别，要求系统具有告警能力。在传感器正常工作条件下，运算放大器的输出电压均在正常放大区内。通常情况下铂电阻传感器不会出现短路的情况，在使用不当，例如传感器引线磨损导致线间短路。传感器在开路、短路故障条件下运算放大器的输出电压值，可以得出在此两种情况下，运算放大器的输出为其饱和值，即开路、短路状态与正常采集状态没有数据重叠区，系统就可据此监控传感器是否正常工作。则本测量系统均可以识别出传感器故障，该系统具有实时告警功能，可以将传感器实时故障情况告知系统。在测量系统与传感器之间距离较远时，则线电阻r对铂电阻采集精度的影响非常大，因此两线制铂电阻仅适合于引线距离比较近，测量精度要求一般的场合。当电位器阻值调温度的零点就被设定到了10℃，测量电位器的阻值时必须在没有接入电路时调节，因为接入电路后测量的电阻值发生了改变，如果该侧电流由恒流源提供，那么不平衡电桥非线性问题就能得到解决。且由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻呈良好的线性关系，因此，恒流源式可以解决温度测量中铂电阻非线性的问题。

3.合成电阻的应用。与温度测量、控制设备通过接口电路连接起来，就可以实现闭环试验。模拟信号采集模块负责将温度测量控制设备输出的模拟信号转换为数字信号，合成电阻发生器负责处理由仿真计算机实时计算出的温度指令信号，将其转换为模拟电阻信号输入温度测量控制设备。合成电阻发生器起到模拟铂电阻温度传感器的作用，是温度信号测量控制设备闭环试验中重要的一环，其核心部分就是合成电阻电路。通过串口通讯方式将温度数字信号传递给合成电阻发生器中的控制芯片。主要任务是首先通过计算得出温度对应的电阻值，输入到合成电阻电路的核心元件转换器，合成电阻发生器就可输出期望的模拟电阻信号。另外，以合成电阻电路为核心，还可生产小型手持式电阻输出仪，直接按键输入温度值或电阻值，即可输出对应电阻。其体积小，精度高、使用方便，便于携带，特别适合在舰船上狭小空间内对温度测量设备或仪表的测试、校准。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，需要采用必要的非线性校正措施，校正方法有模拟电路校正和单片机数字化校正，前者精度不高而且容易受温漂影响，所以我们采用后者。片内模拟方式减少了外围电路，节省了成本和空间，降低了外围干扰对逻辑运算的影响。合成电阻输入电流越小，偏置电流引起的误差影响越大。所以，运算放大器必须采用低失调电压，高输入阻抗、低输入偏置电流、低漂移的运算放大器。以合成电阻产生电路为核心的合成电阻发生器在温度测量控制设备的闭环试验中起到铂电阻温度传感器的作用，是实现系统温度信号闭环控制不可缺少的环节。

二、线性化测温方案的实现

1.恒流源式温度采集电路的设计。高准确度恒流源无疑是决定测温准确度的关键因素，尽可能少的分立元件，无疑会减少分布参数的影响。因为电流过小，将降低信噪比;而电流过大，铂电阻的自热效应会影响测试准确度，所以，在此选用精密电压源和精密电阻器来得到1mA精密电流源，精密电压源为低功率、低漂移、精密电压基准外加调整电路电压可调整为2.5V参考电源。由于运放虚地的结果，造成仪表放大器的反相输入端为0V，且运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸入电流，因此，从1.5kΩ电阻上流过的电流大小固定且等于输出端流入铂热电阻温度传感器的电流，从而达到恒流的效果。连接两端的压差正好反映温度变化的信号送入后级的仪表放大器进行放大处理。精度及温度稳定性直接影响恒流的效果。因此，为达到良好的恒流效果，选用0.01%的温漂小的电阻和稳定性高的参考电源;输入阻抗选择高输入阻抗，从而提高电路的稳定性和精度。

2.线性化测温的实现方法。温度测量系统是将来自现场传感器的信号经过采集放大后，送到微处理器的通道进行转化处理并显示在液晶显示器上。理器、检测温度的温度传感器、信号的采集放大电路(恒流源电路、偏置放大电路)、输出显示单元、温度控制执行机构和电源供电电路。采集放大的温度信号经转化运算后，发送到显示器上加以显示。此外，微处理器的输出还可以按照实际要求外接一些温度控制执行元件。这些元件根据温度的变化实现一部分控制，此控制信号由根据软件程序经微处理器的输出执行。当电路中含有反相器、同相比例放大器时，如果构成反相器或同相比例放大器所必需的两个电阻的阻值不完全一样，也会带来误差，所以这两个电阻需要选取精密电阻，最好配对使用。

该测温系统较好地解决了铂电阻测温电路中不平衡电桥的非线性误差问题。经过大量的实验测试，其性能稳定可靠，所以该测量方案测量的温度一致性好、精度高、稳定性好，可在智能温度检测中广泛应用。

参考文献：

［1］王化祥，张淑英．传感器原理及应用［M］．修订版．天津:天津大学出版社，2015:154－163．

［2］张萱，闻建静，楼建明．铂电阻测温非线性校正方案［J］．南昌大学学报:工科版，2015(3):53－56．

［3］卫永琴，高建峰．一种恒流源电路的巧妙设计［J］．仪器仪表学报，2015，27(8):1170－1172．

［4］中国仪器仪表学会．一种高精度恒流源电路的设计与实现［R］．仪器仪表学报，2015，29(z4):725－727．