热电阻电路测温计设计

燕山大学

传感器原理及应用课程设计题目：热电阻温度传感器器

学院（系）电气工程学院

年级专业： 12级自动化仪表

学号： 120103020133 学生姓名：马冰卿

指导教师：童凯

教师职称：教授

一、概述

1.1 热电阻温度传感器简介

热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。

热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。热电阻广泛用于测量-200~+850°C范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K，高温达1000°C。

热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。

用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

1.2 pt100热电阻简介

pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

二、工作原理

2.1 热电阻工作原理

与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。下面以铂电阻温度传感器为例：Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

()[]010t t Rt Rt -+=α （1） 式中，Rt 为温度t 时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为： t e Rt B A = （2） 式中Rt 为温度为t 时的阻值；A 、B 取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200～500℃范围内的温度测量，其特点是测 量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，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。

2.2 接线方式

采用pt100测温一般有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。

① 二线制接法:这种接法不考虑PT100电缆的导线电阻，将A/D 采样端与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于测温距离较近的场合。

②三线制接法：这种接法增加了用于A/D采样的补偿线，三线制接法消除了连接导线电阻引起的测量误差，这种接法适用于中等测量距离的场合。

③四线制接法：这种接法不仅增加了A/D采样补偿线，还加了一条A/D 对地的补偿线，这样可以进一步的减小测量误差，可以用于测温距离较远的场合。

由于我们对精度的要求不那么高，就选择了二线制接法，采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100 热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。

三、电路图原理

二线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。放大器选用的是OP07运算放大器，采用R2,R3,热电阻，电位器构成电桥，然后输出电势差经放大器放大，运算放大器的放大倍数为1000倍，然后即可输出较合适的电压。由于仿真软件中没有热电阻，故选用了一个200欧姆的可调电阻来代替。

四，课程设计中遇到问题及解决

在课设刚刚开始选定题目的时候，我们小组讨论的题目是利用热敏电阻测温度，选这个题目原因是感觉热敏电阻的温度系数较高，几乎不用放大器就可以得到较合适的电压输出，然后就开始搜集材料，进行电路仿真，我们想的利用二级放大电路使电压输出与温度成正比，但是后来知道说这个题目不行，因为热敏电阻太不稳定，所以也就换了题目，做热电阻测温度，所以做得可能会有瑕疵，以上则是我们的题目设计。然后焊电路过程中因为我们需要一个200欧姆的精密电位器，但是没有元件，就用了一个100欧姆的电阻代替，然后进行实验的时候，得到的电压和温度成良好的线性关系，在室温为21.8°时，电压示数为2.23V,几乎成十倍的关系，然后当测人体体温时，电压示数为38.3°左右，所以温度测量精度还是挺好的。

五、其它电路仿真

1.差动自感传感器的变压器电桥电路

电路仿真图如下：

由于软件中没有差动自感传感器，就用了两个可调电感来代替，然后通过仿真结果分析可以得到，当只调一个可调电感L3时，令其变化△L（令L3增

加10﹪），然后得到电压变化为0.6V，电路可以等效为单臂电桥，然后将L2变化-△L（令L2减少10﹪），此时得到电压输出为1.2V。所以可以得到差动电桥的输出为单臂的两倍，所以电路仿真正确。

2、电阻应变片两臂差动电桥

电路仿真图如下：

利用两个可调电阻来代替电阻应变片，根据电路图可知当仅改变一个可调电阻时，与改变两个可调电阻时的电压关系为二倍关系，所以可知差动电桥的灵敏度是单臂电桥的两倍。

六、总结

此次课程设计使我对于热电阻测温系统的设计电路更加熟悉，知道铂电阻传感器的特性，每一个步骤都贯穿着刚刚学过的传感器的内容，使我了解到传感器这门课程的重要性。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，虽然过程当中遇到了很多问题，但解决过程却充满了乐趣，同时也增强了我们寻找问题，解决问题的能力，增加了实际操作能力。收获很多。