一种基于放大器和温度传感器的温度采集方案

王 冠，陈建魁，翟 洁，史明辉

(华中科技大学机械科学与工程学院数字制造技术与装备国家重点实验室，湖北武汉 430074)

0 引言

温度控制系统广泛应用于需要进行温度测量及控制的生产过程中。文中所论述的温度控制系统具体应用于RFID标签制造工艺中。标签芯片倒装放置于键合位置后，需要对ACA导电胶(Anisotropic Conductive Adhesives)热压、固化以完成芯片与天线的物理互连。导电胶热压固化温度在180 ℃左右，测温精度为±1 ℃，响应时间在10 s以内。文中设计的温度采集电路方案也可为其他温度控制系统的温度采集方案提供参考。

根据工业应用需求，温度采集模块的温度采集原理一般是热电偶、热电阻或温度变送器输出的电压、电流信号经滤波、放大、AD转换后，将测量数据送进单片机分析处理，将测量结果存于外存储器中[1]。其中，基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统，主要由铂电阻传感器驱动电路、仪用放大电路及A/D转换电路组成，测温精度可达到±0.1 ℃[2]．对铂电阻测温正反馈线性化电路的输出特性进行分析，给出了提高线性度和灵敏度相应拟合直线的建立与设计方法，可有效地提高了测温系统的精度[3]。AD转换模块中，部分采集装置不需要A/D转换器进行数模转换，用MCU中的比较器就可得到信号传过来的电压[4]。

温度控制系统对测量部分有着较高的要求[5]。因此温控系统的温度采集电路中，各元器件的性能直接影响到系统的精度和可靠性。目前关于多路温控器中的放大器和铂电阻传感器的性能测试分析较少。因此，文中设计了一种结构简单的温度采集方案，并且设计了相关的测试方法，进行以LM324放大器为核心的放大器采集电路的性能测试，以及温度传感器的性能包括分辨率、响应速度等的测试，综合分析了该方案的可行性，为温度控制系统的放大器与温度传感器选型方案提供参考。

1 温度采集系统实现方案及硬件电路

温度采集电路的硬件实现方案结构图如图 1所示。该方案的优点是电路结构简单，调试方便。

图1 温度采集系统硬件结构框图

温度传感器能感受温度并转换成可用输出信号，常用的有热电阻和热电偶。热电阻依靠电阻的变化反应温度的变化，热电偶依靠双金属的接触电动势变化反应温度变化。热电偶的温度特性曲线比热电阻差，精度、响应速度也不及热电阻。所以，文中选用热电阻中的铂电阻温度传感器。铂电阻温度传感器阻值随温度呈近似线性变化，0～100 ℃时变化在0.385 Ω/℃左右。输入Pt100铂电阻传感器的电流必须高低适中，既不能过小以保证铂电阻传感器的灵敏度[6]，又不能过大，避免铂电阻内部受热过度造成误差增大。因此pt100最佳的工作条件是流过电流约为1 mA．两端电压变化约为0.385 mV/℃，变化值过小。使用放大器将能反映温度变化情况的铂电阻两端电压进行放大处理。计算时直接将铂电阻的输出电压进行AD转换，方案中采用12位的A/D转换，测量数据输入单片机分析处理就可与温度值对应起来。

图2 温度采集电路

为了确定温度采集方案的可行性，需要对电路进行测试分析。放大器和温度传感器的精度和响应速度会对控制系统的效果产生重要的影响。文中选用了放大器及4种铂电阻温度传感器分别进行性能比较测试。

LM324是一款具有4个放大器的集成IC元件，支持3.3～30 V单电源供电，应用相对成熟。因此文中方案选择LM324作为采集电路中放大器，测试放大电路效果。

铂电阻感应灵敏，热反应速度快；测量精度高，长期复现性好，物理、化学性能稳定，线性度好[7]。Pt100为统一设计型铂电阻。当温度是0 ℃时，电阻为100 Ω，每摄氏度阻值变化约为0.385 Ω．铂电阻传感器的原理是，根据已知的电阻-温度关系，可以计算出被测温度值。

拟对4种铂电阻进行性能测试。4种铂电阻传感器如图 3所示，型号从右至左为STT-R1215、BD-PT100-156B、BD-WZP-PT100、BD-1632-100。

图3 4种不同类型的铂电阻

4种不同类型铂电阻的性能参数如表1所示。

表1 四种铂电阻性能参数

注：在温度阶跃变化时，温度传感器的输出变化至量程变化的90%所需要的时间称为热响应时间，用τ表示。

2 测试方案及结果分析

实验过程中采用电位器模拟铂电阻(PT100实际由电位器代替)，使用NI动态采集仪分别采集电位器两端电压和经放大器输入的电压。使用测温仪实时测试水杯里水的温度。

2．1测试LM324放大器的性能

温度控制系统属于定值控制系统，由单电源对放大器进行供电，采用电位器模拟铂电阻，测量不同阻值下放大器的放大倍数是否能保持良好。理想放大比A取值为11。

3.1.3 坝料摊铺 粘土心墙料铺筑沿坝轴线进行，铺料时严格控制铺土厚度，土料采用推土机及装载机摊铺平整，并随时进行铺料厚度测量，确保厚度满足要求。

将所采集的输入和输出电压进行线性拟合，线性拟合方程为：U输出=12.09U输入-0.179 3，线性拟合曲线结果如图4所示：

图4 曲线拟合的结果

拟合曲线和理想曲线具有较好的一致性，可见LM324放大性能较稳定；实际数据与理想放大器输出的最大偏差为8.79%，不同阻值下放大倍数能良好地处于放大器工作范围之内。

RFID设备温度控制系统对温度控制范围为0～300 ℃，查询铂电阻分度表，PT100的阻值变化范围为100～212 Ω，两端电压其变化范围为0.097 1～0．199 V，经LM324放大11倍后，采样电压范围1.068～2.199 V．设计的温度控制方案精度为1 ℃，则电压变化为0.003 77 V/℃．

采用12位的A/D转换，基准电压为2.4 V(温漂15 ppm/℃)，在0～2.4 V内AD转换的分辨率为0.000 59 V，变化的电压值为6.453 V/℃．可见，在测试电路中Pt100经LM324放大后的信息足以完整被A/D转换器接收，在该方案中可选择LM324作为放大器件。

2．2测试铂电阻传感器的性能：

实验在搭建的平台上进行，硬件结构实物图如图 5所示。平台硬件组成从左至右依次为：工业PC机，NI数据采集仪，温度传感器，温控电路板，温度采集仪等。

图5 硬件结构实物图

文中采用的测试方案是：(1)将铂电阻从冰水放到沸水中，通过近似阶跃的输入测试响应特性。(2)通过铂电阻采集到高温水降温至室温过程中的温度与实际水温对比，分析传感器的分辨率。其中，NI数据采集仪采集铂电阻两端电压变化以及经放大器放大的铂输出电压变化。温度采集仪记录水杯中的温度值。

具体实验过程为：在搭建好的平台上进行，实验电路板上接入铂电阻传感器进行测试。测温环境对象分别0 ℃的冰水混合物和持续加热至100 ℃的沸水，首先将铂电阻从冰水中拿出放入沸水中持续1 min，接着放入冰水中持续1 min；然后再放入沸水中，接着在沸水中慢慢加入冷水使其降温到室温(约20 ℃)；整个过程中使用温度采集仪实时采集水降温的温度。

NI数据采集仪采集到的数据有80多万组，根据时间情况筛选了每个过程的400 s时间，选择了4 000组数据进行分析。通过Matlab分析，获得如图6所示的4组曲线，图中“输出”曲线为经过放大器放大的电压变化曲线，“输入”曲线为铂电阻两端电压变化曲线。

(a)STT-R1210

(b)BD-PT100-156B

(c)BD-WZP-PT100

(d)BD-1632-100

4组曲线呈现的规律基本一致，在近50 s的时候，传感器由冰水进入沸水，电压值有类阶跃的明显变化，此后电压值一直上升至最大值(1.4～1.5 V之间)；在100 s的时候，传感器由沸水中拿出放入冰水中，电压值下降至最低(1～1.1 V之间)；然后将传感器放入沸水中，电压值明显增大，伴随着沸水水温降低，电压值也缓慢降低。

而且，每组铂电阻输入、输出电压呈现出同样的规律，跟随性比较好，可见放大器的性能比较理想。关于4组铂电阻传感器响应时间的分析结果如表2所示。

表2 响应时间测量

根据表2，铂电阻STT-R1215相对于其他铂电阻反应最快，响应特性较好，STT-R1215和BD-PT100-156B响应时间均比较短，符合温度采集系统的要求。而BD-WZP-PT100和 BD-1632-100响应较滞后，不符合要求。

在4组铂电阻实验后半段过程中，即沸水降温到室温的过程，使用的温度采集仪获得的4组温度变化曲线如图7所示：

PT100的分辨率反映到温控电路设计中即为每摄氏度变化的电压值，铂电阻温度传感器的阻值随温度上升呈近似匀速增长，根据铂电阻分度表，实测温度在20～100 ℃之间时，每摄氏度阻值变化平均值为0.383 Ω/℃，从而由分辨率可以估算出每摄氏度电阻偏差率。根据采集到的温度和PT100电压值的变化，得到分辨率如表3所示。

(a)STT-R1210

(b)BD-PT100-156

(c)BD-WZP-PT100

(d)BD-1632-100

表3 分辨率及偏差率测量

由于测温仪测的是杯壁的温度，杯壁温度与杯中水温大概有5～10 ℃的误差，因此测得的分辨率比实际值偏小约10%。因此根据表3，4组铂电阻的偏差率均比较小，分辨率均比较理想。实验结果表明，STT-R1210和BD-PT100-156B传感器响应时间和分辨率测试结果均较为理想，其响应和分辨率都比较好，可为需要使用温度传感器的温度控制系统提供选型参考。根据STT-R1210具有最小的偏差值，选择STT-R1210作为控制方案的传感器。

综合放大器和铂电阻传感器的实验结果，放大器LM324输出的最大偏差为8.79%，放大倍数能良好地处于放大器工作范围之内。铂电阻传感器STT-R1210响应时间为2 s，偏差值2.08%，其响应和分辨率都比较好。整个采集电路在0～100 ℃范围内采集温度偏差小于0.6 ℃，热响应时间小于10 s．通过测试结果可以分析得到，整个温度采集电路中，所选择的的放大器和铂电阻传感器的性能较好，可以保证温度采集电路有较高的控制精度和较好的稳定性。

3 结束语

温度采集电路是RFID标签制造热压装置中的温度控制系统模块的重要组成部分，其中放大器和铂电阻传感器作为核心元件，需要有较好的精度、响应速度以及稳定的性能。文中对所提出的温度采集方案进行了性能测试分析和实验，数据表明，LM324放大性能稳定，实际数据与理想放大器输出的最大偏差为8.79%，符合温度采集电路的要求，可选择作为温度采集电路的放大器件；铂电阻传感器STT-R1210测试结果较理想，响应时间短，符合温度采集系统的要求。文中提出的温度采集电路方案可以适用于精度为±1 ℃、稳定性要求高，可满足RFID标签制备导电胶热压固化工艺中对温度控制系统要求，同时也可用于其他温度控制系统的温度采集方案，并为温度传感器、放大器选型测试提供了参考。

参考文献：

[1]李海珍，孙运强．高精度多路温度采集模块硬件电路设计．电子测试，2008，12(12)：58-64．

[2]张瑜，张升伟．基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计．传感技术学报，2010，23 (3)：311-313．

[3]杨小玲，施隆照．铂电阻测温正反馈线性化的研究与设计．仪表技术与传感器，2012(9)：1-2．

[4]张颂，路林吉．一种精度高成本低的温度采集设计．微型电脑应用，2004．20(12)：35-3．

[5]文小玲，易先军，曾涛．高精度温度测控系统．仪表技术与传感器，2007(8)：46-48．

[6]张升伟，李靖，姜景山．风云3号卫星微波湿度计的系统设计与研制．遥感学报，2008，12(2)：199-207．

[7]张洁天，贾宏博，任磊．铂电阻温度传感器的自热效应．传感器技术，2002(12) ：13-17．

作者简介：王冠(1990—)硕士研究生，主要研究方向为温度控制、热压固化。E-mail：Chenjk@mail．hust．edu．cn