基于单片机的铜热电阻传感器基本参数测试

陈虹丽, 牛佳林, 彭 辉

(1. 哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001；2. 中国飞行试验研究院, 陕西 西安 710089)

传感器技术同计算机技术和通信技术一起构成了现今信息产业三大支柱,这也已经成为目前科学技术快速进步的象征[1]。温度传感器是各行业都需要的重要元件,被广泛用于军事工业、家用电器、信息技术、机械加工、装备制造等领域[2-4]。

本文内容是计算机技术和温度传感器在“检测与转换技术”实验教学中的应用。通过实验,学生可以更加形象、具体、系统地掌握信号检测系统中铜热电阻传感器的制作和基本参数测试方法,以及在直流电桥、差动放大电路下铜热电阻温度测量。自行制作一个模拟加热炉系统,该加热系统给铜热电阻传感器提供不同环境温度,可以通过按键设置温度值并将实际温度值控制在设置值范围内。

1 铜热电阻传感器的设计

1.1 热电阻工作原理

热电阻阻值随着其所处环境温度改变而改变的规律满足[5]:

RT=R0[1+α(T-T0)]

(1)

式中:RT表示热电阻所处环境温度为T时的电阻值;R0表示热电阻所处环境温度为T0时的阻值;α是热电阻的温度系数,表示单位温度变化引发的电阻变化量，α只有在一定的温度变化范围内时才能看作常数。

1.2 铜热电阻的制作

电阻的计算公式为

(2)

其中,ρ表示该种电阻的电阻率,l表示该电阻丝长度,s表示电阻丝截面积。

现有漆包铜电阻丝的直径为0.1 mm,骨棒的直径0.45 cm,铜丝的电阻率ρ=1.75×10-8Ω·m。绕制一个阻值为50 Ω的铜热电阻。由式(2)得到所需绕制的圈数为1 308圈，绕制1 308圈后实际测量绕制电阻的阻值在室温时为58.5 Ω。

器件包括管形塑料(做骨架)、漆包线铜电阻丝、引线。使用二线制接法,分别焊接一根8 cm的导线,将铜热电阻套上保护套管,用环氧树脂进行封装,待完全风干之后铜热阻制作完成,再次测量其阻值为60 Ω。

2 热电阻测温线路的设计

利用直流电桥非平衡测量法[6]测量铜热电阻变化,其桥路如图1所示。图中Rx1为应变电阻,R2、R3、R4为具有相同固定阻值的电阻,令Rx1、R2、R3、R4的初始阻值都为R,则B、D两点间输出电压Uo为

(3)

中,ΔR表示应变电阻Rx在温度变化时电阻值的变化量。

图1 单臂电桥

设计使用+4 V直流电源作为桥式电路的供电电源,R2、R3、R4均使用180 Ω的固定电阻,而为保持Rx1、R2、R3、R4的初始阻值相同,则将Rx1设计成一个可以调节阻值的电位器与铜热电阻Rx相串联的形式。实际应用时只需调节电位器,使得图1所示电路B、D两点输出电压为0,使电桥处于平衡状态。此时将铜热电阻Rx放入加热炉中加热,B、D两点之间即可输出电压,只不过由于式(3)中ΔR的值远远小于R,会导致B、D之间输出电压值非常小,所以需要放大环节对电桥输出电压进行放大以便于后续工作。本设计的铜热电阻处于0～99 ℃时其阻值变化均会远远小于180 Ω,所以制作的铜热电阻传感器的温度测量范围可达0～99 ℃。

3 信号放大电路的设计

由于单臂电桥输出的是毫伏级电压信号,为便于后续工作需要将其进行几百甚至上千倍的放大,而且放大倍数能够调节。综合考虑以上要求,制作一个仪用放大器,根据需要调节放大倍数[7]。

4 电压采集系统的设计

电压采集系统由A/D转换电路和数码管显示电路组成。采用ADC0832芯片[8]实现单路A/D转换；采用ADC0809芯片与STC89C52RC单片机最小系统及其他外围电路组成采样电路,使用中断方式进行A/D转换,实现采集多路电压信号功能[9-10]。

5 模拟加热炉系统的设计

本部分所设计模拟加热炉系统可以对环境温度进行实时的测量及显示,可以通过按键设置所需温度的上限值与下限值,从而把温度值控制在一定范围。当传感器采集到的温度值高于温度上限时,触发报警装置的同时启动风扇进行散热；当传感器采集的温度低于温度下限时,系统触发报警装置的同时启动加热管进行加热,从而达到模拟加热炉进行自动控温的目的。此外该系统还可以掉电保存已设置的数据[11-12]。

6 实验结果分析

学生制作的热电阻传感器和电桥模块见图2，信号放大电路模块见图3，电压采集模块见图4，模拟加热炉见图5。

图2 热电阻传感器和电桥

图3 信号放大模块

图4 电压采集模块

图5 模拟加热炉

用模拟加热炉对烧杯内水进行加热,调节信号放大电路的放大倍数,得出加热炉温度与电压的对应关系数据见表1,表中同时列出各温度下理想电压值及相应实测电压的误差。

表1 温度与显示电压对应表

由表1可知，设计的铜热电阻温度传感器的误差小于6%。首先是铜热电阻的引线比较长会引起误差,其次模拟加热炉系统并不能将温度值控制在某个值，而是将温度值控制在一定范围内从而造成采集数据的误差,此外还有数据处理的误差。可以在电压采集系统中添加一部分程序使得将电压采集数据除以0.95,再进行显示,这样就会大大减小误差。进行误差处理后的环境温度与显示电压的关系见表2。

表2 校正后的温度与显示电压对应表

电压与温度的函数关系曲线见图6,进行最小二乘拟合,得到:

图6 电阻传感器的显示电压与温度的关系曲线

7 结语

设计了能够自动测温的铜热电阻传感器,包括铜热电阻传感器及模拟加热炉都是基于51单片机,包括软硬件设计、制作和调试,最终实现了以下功能：

(1) 铜热电阻传感器可以实时测量、显示0～99 ℃的温度值,设计简单；

(2) 模拟加热炉系统可以实现手动设置温度值的上下限，从而将温度值稳定在所需范围,此外还有温度报警以及掉电保持功能，模拟加热炉还可以根据需要稍作改进从而成为其他用处的温度控制器。

References)

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[4] 张妍,苏煜飞.温度传感器的研究与应用[J].现代制造技术与装备,2016(5):143.

[5] 田炳丽,胡超,丁风雷.一种提高Pt1000铂电阻测温精度的新方法[J].机电工程,2013,30(5):603-605.

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