多種溫度傳感器信號調理電路設計

摘要：為了測量某試件多點溫度，且溫度跨度很大，還要達到要求精度，本文利用幾種不同類型的傳感器(AD590、PT1000和K型熱電偶)進行采集，其輸出形式(電流源、電阻和熱電勢)和大小均不相同，設計了電源電路、信號轉換電路和放大抬升電路，使各種傳感器的輸出達到統一的1～5 V的標準信號；在實驗室利用高精度電壓、電流源和電阻箱分別對熱電偶、AD590和PT1000進行模擬，結果表明該方法可行，調理電路的相對精度可達到0．1級。
關鍵詞：傳感器；信號調理；AD590；三線制PT1000；K型熱電偶

某試驗系統中要求測量被測試件不同部位的溫度變化梯度。試件頭部到尾部的理論溫度最大值依次為1100℃(1個測點)、300℃(2個測點)和100℃(3個測點)。供電電壓12 V，要求輸出信號1～5 V，相對精度不低于0．5級，重量≤100 g。如果僅僅滿足一種溫度指標要求，市面上的很多傳感器或變送器都能很好的滿足要求，若選擇一種傳感器意味著量程至少1 100℃，該傳感器用于測量100℃的測點就很難滿足精度，因此需選用不同類型的傳感器，然而考慮到重量后就很難選出合適的傳感器來，因此本文旨在一片電路板上完成多種傳感器的信號調理工作，該設計有較大的實際意義。

1 系統組成
為了提高精度，根據被測溫度的大小選用量程接近該溫度的傳感器，3種不同溫度分別選擇不同傳感器如下。
測量1100℃的傳感器用K型熱電偶，其測量范圍：-200～1300℃，能夠滿足要求。熱電偶的熱電勢是毫伏級的，0℃時輸出為0 V，1100℃輸出45．118 7 mV；該信號為幅值比較小，且冷端(自由端)不可能恒為0℃，所以需設計冷端補償電路和放大器。
測量300℃的傳感器用Pt1000的鉑電阻，測量范圍：-50～300℃：0℃時電阻阻值1 000 Ω，300℃時電阻阻值2 120．515 Ω，反映溫度的物理量是電阻，因此需要設計電橋將電阻的變化量轉換位差模電壓的變換量，然后進行信號放大和電平抬升。
測量100℃的傳感器用AD590集成溫度傳感器，測量范圍：-50～150℃，該器件精度較高，全溫度范圍內，非線性誤差僅為±0．3℃，可充當一個高阻抗、恒流調節器，調節系數為1μA／K，即該器件在273．15 K(0℃)時輸出273．15 μA電流，溫度每升高1℃電流增加1μA；反映溫度的是電流信號，因此需要將電流轉換成電壓信號后進行信號放大和電平抬升。

2 電路設計
調理電路主要由電源和各個放大器以及相應的信號變換電路組成，下面分別對各個模塊進行詳細論述。
2．1 電源電路
電源電路是讓各個模塊正常工作，系統使用了兩路恒壓源，恒壓源分別為PT1000電橋電源(9 V)和輸出抬升電源(1 V)，9 V電源如圖1所示。1 V電源和9 V電源基本相同，只是部分參數不同。電源電路中的集成運算放大器采用LM224，該芯片集成了4組運算放大器，工作電源可為單電源(12V)。

圖1中D2為穩壓管，9V電源選用額定擊穿電壓為9．1 V的1N4696，1 V電源選用額定擊穿電壓為1．2 V的LM385；RW92是電位器，和穩壓管并聯起到分壓的作用，滑動頭分別可得到9 V和1 V的電壓；運放在這里是電壓跟隨器，輸出電壓和電位器滑動頭處的電壓大小相等；R92是限流電阻，和穩壓管串聯；兩個電容是退耦電容，大小0．1 μF，起到穩定電壓的作用。為了不影響穩壓管工作電阻阻值不大于500 Ω，電阻功率不小于1 W。電位器阻值不小于10 kΩ。
2．2 ADS90調理電路
AD590是集成溫度傳感器，輸出為電流，相當于恒流源，若要對此進行放大需先轉換為電壓，可在其回路串入電阻，根據歐姆定律，電阻上電壓的大小可反映電流的大小，也就是溫度的高低。圖2是溫度傳感器AD590的信號調理變換電路。