高精度溫度測(cè)量在很多場(chǎng)合都是需要的，有時(shí)還需要對(duì)溫度進(jìn)行精確地閉環(huán)控制。要實(shí)現(xiàn)高精度的溫度檢測(cè)，在傳感器選型、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、非線性處理等方面都要下功夫，要在分析技術(shù)要求的基礎(chǔ)上逐步完成功能設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。

2.技術(shù)要求

測(cè)溫量程：-100℃~+400℃；

測(cè)溫精度：±0.1℃；

測(cè)溫分辨率：0.01℃；

通道數(shù)：16

每通道采樣頻率：≥100sps

二、具體實(shí)施內(nèi)容

1.傳感器選型，分析傳感器的檢測(cè)信號(hào)和輸出信號(hào)之間關(guān)系，找出最大誤差

2.傳感器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)并且考慮遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響，選取合適的接線方式

3.多路開(kāi)關(guān)的選擇，A/D選型，分析A/D位數(shù)產(chǎn)生的量化誤差，采樣頻率是否滿足香農(nóng)采樣定律

4.用Altium Designer 軟件畫出整個(gè)電路原理圖，設(shè)計(jì)PCB

5.A/D采樣后數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)化成A/D輸入的實(shí)際電壓值？

如果是熱電阻傳感器，如何把電壓值反算成傳感器的電阻值？

利用C語(yǔ)言編寫多路數(shù)據(jù)采集程序，得到實(shí)際的電阻值

• 根據(jù)電阻值(針對(duì)熱電阻傳感器)或mV子如何得到實(shí)測(cè)的溫度？
  

如果通過(guò)查表的方式得到溫度，是否考慮用二分法或其它方法提高查表效率？

根據(jù)電阻值思考如何得到實(shí)測(cè)的溫度

• 具體實(shí)施過(guò)程
  

第一部分--傳感器選型

1.介紹PT100            

pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。

2.分析檢測(cè)信號(hào)和輸出信號(hào)的關(guān)系（excel繪制曲線）

3.實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)的措施

為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，可以對(duì)傳感器輸出信號(hào)或其他模擬信號(hào)進(jìn)行線性化處理與非線性補(bǔ)償。

線性化處理：

a.函數(shù)運(yùn)算法

有些類型的傳感器的系統(tǒng)特性可以用函數(shù)關(guān)系來(lái)表示，對(duì)于此種類型的傳感器,可以把其運(yùn)算規(guī)則(反函數(shù)的)存入系統(tǒng)的微處理器,這樣每測(cè)得一個(gè)參量,就可以通過(guò)處理器的計(jì)算得到一一個(gè)需要的相應(yīng)物理量。

b.可變電壓源電橋法

用橋路中的-一個(gè)橋臂或幾個(gè)橋臂作為傳感器輸出的電阻信號(hào),由于傳感器的輸出電阻信號(hào)跟被測(cè)物理量或化學(xué)參數(shù)呈線性關(guān)系,所以電橋的輸出信號(hào)Vo能反映出被測(cè)物理量或化學(xué)量的變化。但是由于一般的單臂電橋采用穩(wěn)壓電源供電從而使得其輸出電位與橋臂電阻的變化并不呈線性關(guān)系,有時(shí)還存在嚴(yán)重的非線性誤差。

非線性補(bǔ)償：

傳感器輸出常帶有一定的非線性信號(hào)， 當(dāng)無(wú)法用線性化處理的方法來(lái)消除非線性誤差時(shí),為保證系統(tǒng)測(cè)試的精度,應(yīng)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)臄M合函數(shù),并把能實(shí)現(xiàn)擬合函數(shù)關(guān)系的電路作為傳感器信號(hào)處理電路的一部分,則在補(bǔ)償范圍內(nèi),傳感器的非線性可基本線性化。對(duì)所選擇的擬合函數(shù)的要求是:能將剩余的誤差限制在要求的范圍內(nèi)，且對(duì)于輸入信號(hào)是單值性的。一般應(yīng)采用連續(xù)函數(shù)來(lái)做擬合函數(shù),雖然要進(jìn)行較多的數(shù)學(xué)運(yùn)算,但其誤差函數(shù)是平滑、連續(xù)的，故結(jié)果易于觀測(cè)分析。常用的擬合函數(shù)有: 1/x.x"、1gx\A.+Bx'等。

4.做散點(diǎn)圖，分析最大誤差

第二部分--傳感器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1.總體分析

選擇采用PTl00熱電阻溫度傳感器對(duì)外界溫度進(jìn)行采集。由于PTl00傳感器是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的，所以測(cè)量電阻就等同于測(cè)量了外界的溫度，將PT100傳感器連到電路中，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，考慮到導(dǎo)線的電阻以及其他因素，通過(guò)電橋設(shè)計(jì)，對(duì)兩點(diǎn)電位進(jìn)行比較得出差值，經(jīng)過(guò)減法放大器，比例放大器輸出0-5V電壓，調(diào)理電路設(shè)計(jì)如下：

2.回答問(wèn)題：遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響，選取合適的接線方式，并分析原因

采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋，熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,造成測(cè)量誤差。采用三線制,將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。所以我們組選用三線制的接線方式。

• -設(shè)備的選擇
  

1.多路開(kāi)關(guān)的選擇

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，通道數(shù)為16，經(jīng)過(guò)文庫(kù)以及網(wǎng)站查閱相關(guān)資料過(guò)，選取符合要求的型號(hào)為——USR-R16-T遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，16路開(kāi)關(guān)控制，用戶可在直連、局域、遠(yuǎn)程三種模式下實(shí)時(shí)、定時(shí)控制設(shè)備。

2.A/D選型

根據(jù)每通道采樣頻率：≥100sps，和測(cè)溫精度：±0.1℃，選取A/D轉(zhuǎn)換器——ISLA216S，ISLA216S是一系列的低功耗，高性能，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該系列采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的FemtoCharge?技術(shù)設(shè)計(jì)，支持高達(dá)250MSPS的采樣率。 ISLA216S是引腳兼容的12,14和16位A/D系列的一部分，最大采樣速率范圍為130至500MSPS，與ISLA216P系列ADC共用相同的模擬內(nèi)核。該系列最大限度地降低了功耗，同時(shí)提供了最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)性能，提供了最佳的性能與功耗之間的權(quán)衡。

3.分析A/D位數(shù)產(chǎn)生的量化誤差

數(shù)采設(shè)備通過(guò)AD進(jìn)行量化，量化是指現(xiàn)實(shí)世界中的時(shí)域信號(hào)的連續(xù)幅值離散成若干個(gè)量化量級(jí)，量化誤差是指量化結(jié)果和被量化模擬量的差值,顯然量化級(jí)數(shù)越多,量化的相對(duì)誤差越小，每一個(gè)均值的大小稱為一個(gè)量化單位。A/D位數(shù)越高，量化量級(jí)（可理解為最小刻度）越小，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)幅值精度越高，量化誤差越小。

• 采樣頻率是否滿足香農(nóng)采樣定律
  

香農(nóng)采樣定律：為了不失真地恢復(fù)模擬信號(hào)，采樣頻率應(yīng)該不小于模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的2倍（f s≥2f max）。采樣頻率滿足香農(nóng)采樣定律

第四部分——設(shè)計(jì)PCB

1.介紹PCB

PCB（ Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，又稱印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。

• 根據(jù)設(shè)計(jì)電路繪制電路原理圖，設(shè)計(jì)PCB
  

經(jīng)過(guò)幾天自學(xué)，成果展示如下：

第五部分

問(wèn)題描述：

• A/D采樣后數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)化成A/D輸入的實(shí)際電壓值？
  

第一種類型：模擬信號(hào)傳感器

  模擬信號(hào)采集通道前端采用輸出信號(hào)為模擬信號(hào)的傳感器(如電阻式、電感式、磁電式、熱電式等)。當(dāng)傳感器輸出不是電量而是電參量時(shí)，需要通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為電量，再通過(guò)相應(yīng)的放大、調(diào)制解調(diào)、濾波和運(yùn)算電路將需要的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，傳遞給信息采集接口電路，進(jìn)人控制系統(tǒng)或顯示，其基本構(gòu)成如圖5-1所示。

第二種類型：數(shù)字信號(hào)傳感器

   數(shù)字信號(hào)采集通道前端采用數(shù)字式傳感器(如光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等)，再經(jīng)放大、整形后形成數(shù)宇脈沖信號(hào)，并由細(xì)分電路進(jìn)一步提高信號(hào)分辨率，脈沖當(dāng)量變換電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，讀出信號(hào)并送計(jì)數(shù)器和寄存器，或直接送控制器和顯示，其基本構(gòu)成如圖5-2所示。

問(wèn)題描述二：

如果是熱電阻傳感器，如何把電壓值反算成傳感器的電阻值？

  熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值，隨溫度的變化而變化的特征。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓�，就可以測(cè)量出溫度。

利用C語(yǔ)言編寫多路數(shù)據(jù)采集程序，得到實(shí)際的電阻值

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)51hei(1).docx (362.61 KB, 下載次數(shù): 34)