Pt电阻温度传感器批量测试系统的信号调理模块的设计

一、引言

　　温度传感器应用广泛[1]，其中Pt电阻温度传感器由于精度高、稳定性好、可靠性强、寿命长，所以广泛应用于气象、农林、化纤、食品、汽车、家用电器、工业自动化测量和各种实验仪器仪表等领域。然而随着产量增加，其生产过程中产品的测试问题成为影响产品产量和质量的关键问题，研制开发高性能价格比的测试系统，不仅可为生产商提供必要的测试工具，还可为温度传感器的可靠性研究提供有效的手段。本文介绍了Pt电阻温度传感器测试系统的多通道信号调理模块的原理及电路设计。


二、信号调理模块的构成及工作原理

　　Pt膜温度传感器测试系统信号调理模块的基本原理如图1所示，整套测试系统一共有n个单元测量电路，能实现传感器的多通道测量。每个单元测量电路采用四线制的方式进行设计，而这种四线制的结构中需要一个精密的恒流源；此外，由于单元测量电路的输出信号较弱，还需要将输出信号进行直流放大，放大后再进行A/D转换。为了提高测量精度，减小测量时外围电路带来的误差，本设计采用了多路电子开关Ka，使得n路单元测量电路共用一个0.5mA的精密恒流源，同时使 n路单元测量电路共用一个放大电路，即在对Pt温度传感器进行测量时，只有当电子开关组Ka和Kb组的第n个开关同时接通时才能够选中第n个Pt温度传感器并对其进行参数的测量。

　　本系统采用了32个八选一的多路开关器件CD4051和两个74LS138组成电子开关阵列，实现了对128个通道控制，可选择128个Pt电阻中任意一个进行测试。测量电路所测得的Pt电阻传感器两端的电压经过放大电路后进入MSP430单片机的进行A/D转换。


三、恒流源的设计

　　恒流源原理如图2所示[3、4]。本测试系统恒流源的电流值定为0.5mA，此电流值定为0.5mA主要有以下两个原因：

　　（1）、如果恒流源的电流值过大，电流在流过Pt电阻时产生的热量会影响测试精度。根据经验，电流值不能大于1mA；

　　（2）、如果恒流源的电流值过小，在测试时输出的信号就会很小，为了使测量的信号满足A/D的要求就必须加大放大电路的放大倍数，这样就加大了系统的误差。综合考虑上述两个原因，本系统中恒流源的电流值定为0.5mA。恒流源电路设计中使用了TLC2652高精度斩波稳零运算放大器[2]和电压基准源TL431。 TLC2652斩波稳零的工作方式使其具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声等特点。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调的电压基准源，它的输出电压可以在2.5V到36V范围内设置。

　　在设计恒流源时，电压基准源TL431使得A、B两端的电压为2.5 V，B点与TLC2652的3脚的电位相等，而TLC2652的3脚与其2脚虚短，即3脚与2脚的电位相等，也就相当于B点与TLC2652的2脚电位相等，即R1两端的电压与A、B两端的电压相等，也为2.5V，从而可以计算出流过R1的电流I1为0.5mA。TLC2652的2脚与其3脚虚断，也就是说TLC2652的2脚没有电流输出，所以有I2=I1。换言之就是我们在C处得到0.5mA的恒流输出[4、5]。


四、放大电路的设计

　　由于所测出的Pt电阻温度传感器两端的电压信号较弱，所以此电压在进行A/D转换之前必须经过放大电路（如图3所示）的放大。

　　本系统中放大电路的输入信号在50mV～70mV之间，所用A/D转换的电压范围为0V～2.5V，经过计算，放大电路的放大倍数为35倍左右时可以满足A/D转换的要求。普通的运算放大器的输入失调电压一般在数百微伏以上，失调电压的温度系数在零点几微伏以上。虽然输入失调电压可以被调零，但其漂移则是难以消除的。而斩波稳零型运算放大器TLC2652提供了一种解决微信号放大问题的廉价方案。斩波稳零的工作方式使TLC2652具有优异的直流特性，失调电压为0.5μV（典型值）～1μV（最大值）；输入失调漂移电压为0.003μV/℃（典型值），失调电压长期漂移为0.003μV/月[3][8]。经过计算，TLC2652的性能参数可以满足本系统测量精度的要求，所以本系统的放大电路中的运放采用了TLC2652。


五、信号调理模块的精度分析

　　对本测试系统在进行测试时，先将被测一组的Pt电阻温度传感器置于冰水混合物中，测出这组Pt电阻在0℃时两端电压值，再将这组Pt电阻温度传感器置于100℃的液体介质中，测出这组Pt电阻在100℃时两端电压值。被测的温度传感器Pt100在0℃的阻值为100W，在100℃时的阻值为138Ω。而本测试系统所用的A/D输入电压在0V～2.5V。本系统的恒流源的电流定为0.5mA。
　

　Pt电阻测温时满足公式：

　　　　Rt=R0（1+At+Bt­2） （1）

　　式中，A=3.90802×10-3/℃；

　　　　　B=-5.80195×10-7/℃；

　　　　　Rt、R0—Pt电阻在t℃和0℃时的电阻值。

　　由此可推出公式：

　　　　ΔR= R0（AΔt+BΔt2） （2）

　　要想使被测的Pt电阻的测量精度达到0.1℃ ，取Δt=0.1℃带入上式，可求得ΔR=0.0391W。即本系统所测的Pt电阻的阻值精度应为0.0391。故可算出系统的最大相对误差γ总为3.91×10-4

　　整个系统的误差包括：恒流源的误差γ1，引线电阻Rn1、Rn2、Rn3和Rn4产生的误差γ2，电子开关Ka、Kb导通电阻产生的误差γ3和放大电路的误差γ4。

1、恒流源的误差γ1

　　恒流源的误差γ1来源有TL431的误差γ11、TLC2652的误差γ12及图2中电阻R6的误差γ13。假设系统工作环境的温度变化ΔT=10℃， TL431的电压的温漂为20ppm/℃可以计算出：

　　　　γ11= 20×10-6×10=2×10-4

　　由TLC2652的输入偏置电流为60pA（最大值）、输入失调电流为60pA（最大值），可以计算出：

　　　　γ12=（60×10-12+60×10-12）/（0.5×10-3）=2.4×10-7

　　恒流源电路中的电阻R6为精密电阻，其温漂为2ppm/℃，可以计算出：

　　　　γ13=2×10-6×10=2×10-5

　　则：γ1= ≈2×10-4

2、引线电阻产生的误差γ2

　　在本设计中，对Pt温度传感器进行测试时采用的四线制接线方式可消除因连线过长而引起的误差。如图1中所示的Ptn的等效形式，其中Rn1、Rn2、Rn3和Rn4为引线电阻和接触电阻，且阻值相同。Rn1、Rn2是电压检测回路的引线电阻，Rn3、Rn4是恒流源回路的引线电阻。这种电路在测量电压时，由Rn1和Rn2的电压降引起的测量误差，远远小于Pt电阻温度传感器两端的电压的值，可忽略不计。Rn3和Rn4因为是和恒流源串联连接，故也可忽略。因此γ2≈0。

3、电子开关导通电阻产生的误差

　　本系统的电子开关采用了八选一的CMOS模拟开关CD4051，其导通时的电阻约为几百欧，但我们可以把Ka导通电阻看作恒流源电路中的运放的差模输入阻抗的一部分。Kb的导通电阻可以看作放大电路中的运放的输入阻抗的一部份，所以γ3≈0

4、放大电路的误差

　　根据TLC2652特性可知，其输入失调电压为0.5μV～1μV；失调电压漂移为0.003μV/ oC；假设系统工作环境的温度变化ΔT=10℃ ，可以计算出放大电路的误差γ4：

　　　　γ4=1×10-6+0.003×10-6×20≈0.5×10-6

　　所以信号调理模块的最大测量误差γ为：

　　　　γ= （3）

　　由于γ<γ总，所以此信号调理模块的测量精度满足要求。


六、结论

　　本文介绍的Pt电阻温度传感器的测试原理及方法具有通道容量大、测量速度快、使用方便、稳定可靠、通用性强等优点，并且在温度传感器测试领域中有着极为广阔的应用前景，不但能解决Pt电阻温度传感器生产与检测过程中的实际问题，还可实现对Pt温度传感器的参数进行高速、高精度、批量的测量。


参考文献：

[1] 樊尚春.传感器技术及应用[M]. 北京航空航天大学出版社，2004.
[2] 张斌. 基于TLC2652的高精度放大器[J]. 电子产品世界. 2003，（13）.
[3] 杨栓科. 模拟电子技术基础[M]．高等教育出版社，2003.
[4] 苏文平．新型电子电路应用实例精选[M]．北京航空航天大学出版社，2000：1-251