铂电阻线性化.doc

铂电阻测温电路的线性化设计 铂电阻测温电路的线性化设计 胡学红　郑建国 摘　要　介绍一种基于A／D转换原理的铂电阻测温的非线性校正方法，给出了铂电阻线性测温的设计原理、实际电路以及试验数据。关键词：电路设计　测温电路　铂电阻　模拟—数字转换　非线性校正 The Linearization Design of Pt Resistance Temperature Measuring Circuit Abstract　A correction method for non-linear of Pt resistance temperatur emeasurement based on the principle of A／D conversion is presented． The design principle， practical circuit and test data of Pt linear resistance temperature measurement are given． Key　words：Circuit design　Temperature measuring circuit　Pt resistance　Analog-digital conversion　Non-linear correctio 0　引言 　　铂电阻由于测量准确度高、稳定性好，因而在很宽的温度范围内被用作标准仪器。国际温标ITS—90规定，在上限至961．78℃的温区内铂电阻取代铂铑10－铂热电偶作为温标的内插仪器。铂电阻的电阻值与温度的关系，可用下式描述： 式中：R　θ、R0分别为θ和0℃时铂电阻阻值；a，b为常数，且a＝3．96847×10－3℃－1，b＝－5．847×10－7℃－2。显然Rθ与θ间的关系是非线性的。为了能对铂电阻测温的非线性进行校正，笔者利用双积分A／D转换原理，设计了一种理论上精度很高的铂电阻温度非线性校正方案。实践证明，该方法不仅性能稳定，结构简单，而且准确度在0～200℃范围内可容易地达到0．15％FS±3字。 1　非线性校正原理 1．1　线性R　θ／U转换　　传统惠斯登电桥输入与输出特性是非线性的。为了实现高准确度测量，首先需要实现线性R　θ／U转换，一种性能优良的线性电桥电路如图1所示。本桥路桥臂采用恒流供电，由于U＋＝U－，U－＝R3U1／（Rθ＋R3）。假设R1＝R2＝R3＝R0，则有 图1　线性电桥电路 　　显然，运算放大器的输出电压U1与（2R0＋ΔRθ）之间存在正比关系，同时桥路的输出电压为 这样就得到了桥路输出电压U0与桥臂电阻变化ΔRθ之间的线性关系。1．2　非线性A／D转换原理　　因为铂电阻经检测桥路后的输出电压与被测温度之间具有已知的函数关系： 式中：A，B为常系数。如果能构造一个函数电路，使其具有与上式函数形式相同的传递函数： 同时使UM＝UN，则容易得出θ＝t（这里，“θ＝t”仅具有数学意义，实际上它们的量纲是不一样的，这也正是本文所阐述的变量变换形式的数学表达）。这样，在UM＝UN的前提下，温度θ的测量问题就转化为对时间t的测量了。以上是本文阐述的以变量变换形式实现传感器非线性校正的设计思想。　　现在应解决的问题是对转换后的变量t进行准确测量。显然t应该是一种易于测量的量，这样才具有实际意义。这里t的量纲为时间，其测量过程是通过双积分A／D转换实现的。　　众所周知，双斜率积分转换表达式为 　　（1） 式中：UIN为A／D转换时模拟输入电压；T1为A／D转换过程中正向积分时间；T2为A／D转换过程中反向积分时间；UREF为A／D转换时参考输入电压。　　当UREF为定值时，UIN与T2具有线性关系，由于T2可以看成A／D转换输出结果（实际的输出数字量是对时间T2进行时钟计数获取的），因此这种情况下可以认为A／D输出结果为 　　（2） 这也正是双积分A／D转换最常见的线性测量转换方式。本文将UREF（t）设计成变量，即UREF（t）为时间t的函数。当UREF（t）的函数关系式为 　　（3） 时（M，N为待定常系数），A／D转换后的输出结果能完全补偿铂电阻温度非线性，推导如下。　　因为， 　　（4） 故将式（3）和式（4）代入式（1）得： 　　（5） 假设　　AT1＝M　　（6） 　　　　BT1＝Ν／2　　（7） 则有T2与θ在数值上大小相等的表达式： T2＝θ　　（8） 可见，实现了铂电阻的温度与数字线性转换。容易看出，这时A／D转换过程中模拟电压输入与数字量输出之间不是线性关系，其函数关系刚好与Rθ－θ关系相反，当其特性实现了相互完全补偿时就能获得线性θ／T2转换。　　显然，利用双积分A／D转换实现非线性校正的关键是应能满足式（3）所表征的函数关系。本方案采用RC