Cu50温度传感器的设计.doc

工工学院毕业设计（论文） Cu50温度传感器的设计 专 业：机电一体化技术 班 级：机电0923 学 号：0901212339 学生姓名： 校内指导教师： 二零一二年四月二十日 目录 摘要 3 第一章 前言 4 1.1 课题研究的意义 4 第二章 铜电阻测温电路的非线性误差校正方案 5 2.1 铜电阻的非线性特征 5 2.2 设计方案 6 2.3 方案比较 8 2.4 题目分析 9 2.5 电路分析 9 2.6 实验论证 10 第三章 元器件的简介及其原理 15 3.1 铜热电阻 15 3.2 二极管 15 3.3 三极管 16 结束语 18 参考文献 19 附录 20 摘要 为克服铜电阻温度传感器的非线性带来的误差，在对铜电阻的非线性特性研究的基础上，设计了以恒流源非平衡电桥为基础的测温电路来代替传统的测温电桥。同时，采用分段最小二乘法拟合反向分度函数，以减小铜电阻自身的非线性带来的测量误差。最后给出基于stm32f103vbt6微控制器测温系统的实验结果，结果表明，铜电阻的非线性误差在0．03％以内，测温误差在0．25℃，满足大多数场合需要。 关键词：铂热电阻；非线性校正；非平衡电桥；分段最d、---乘法；曲线拟合；stm32f103vbgi 前言 1.1 课题研究的意义 铜电阻具有测量温度宽，稳定性好，示值复现性 高等优点，在一50—150℃范围内被用来作为国际 标准温度计。但传统的非平衡电桥的非线性特性和 铜电阻的阻值R0与温度t之间的非线性关系给数 据处理带来一定的困难。常见的处理方法有硬件校 正法和软件校正法。硬件校正法电路简单容易实 现，但精度不高，易受温漂等因素干扰不能从理论上 完全校正非线性；软件的方法理论上虽然可以校正 铜电阻的非线性，但是算法复杂。本文采用软硬件 相结合的方法，这种方法简单可行，具有通用性。 第二章 铜电阻测温电路的非线性误差校正方案 2.1 铜电阻的非线性特征 铜电阻的阻值和温度存在如下关系： Rt=Ro(1+at+bt2) (-50t150℃) 其中Rt和R0分别是t ℃和0℃时铜电阻的阻值。当 温度系数TCR=0.003 851时， a=3.908 3×10-3℃-1 b=一5.775×10-7℃-1 随着温度的升高，铜电阻的非线性越来越严重，由公 式可知，温度的变化率为： dRt/dt=R0(a+2bt) 温度的二次变化率为： d2Rt/dt2=2R0B=1.154×10-4(Ω/℃2) 图l中曲线2是铜电阻的温度特性曲线，直线l为 线性化的理想直线，用此理想直线所带来的非线性 误差为： ε=R0（1+at+bt2）-[(R500-R0)t/500+R0] 图1 由图1可知在两曲线相交的中点即300℃时误差达 到最大，代人上式，ε=3.66Ω，相当于温度的最大 误差为10℃，这种近似不能适应高精度测量的要 求，需对其进行线性化处理。 设计方案 方案一 非平衡电桥非线性校正方法 非平衡电桥结构简单，动态性好，广泛的应用于 测温，测压等电路中。但常用的恒压源非平衡电桥 的输出电压△U与铜电阻R之间存在非线性问题。 图2 图2为恒压源非平衡电桥原理图，R1、R2、R3为 精密桥臂电阻；感温元件铜电阻Rt其阻值随环境温 度t而变化．当电源输出电压E一定时，非平衡电 桥输出电压为： U(t)=[R3/(R1+R3)-Rt/(R2+Rt)]E 显然，△U(t)与Rt是非线性关系。 因此，我们需要在非平衡电桥Rt的一臂加恒流源以解决非线性问题。 方案二 最小二乘法 最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优 化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最 佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知 的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误 差的平方和为最小。在函数的最佳平方逼近中，如 果以名)只在一组离散点集{(xi，yi)，i=0，1…m}给 定，这就是常见的实验数据的曲线拟合，这里Y1= f(xi) i=l，2…m，要求一个函数Y=S’(x)与所给 的数据{(xi,yi),i=0,1..m}拟合，若记误差δi=s’(x)-yi,i=o l，…，m，δ=（δ0，δ1，δ2.。。。。。δm） φ0（x）, φ1(x),……, φn(x)是线性无关的函数族 在函数族中找一函数S’(x), 使误差平方和最小。 方案比较 这两种方法都首先都能够实现消除非线性误差的目的，可是相对于第一种方法来说，第二种方法比较复杂，第二种方法需要对微积分有个初步的认识，所以我认为第一种的方案的可行性较好。