Pt电阻温度传感器批量测试系统的信号调理模块的设计

一、引言

　　温度传感器应用广泛[1]，其中Pt电阻温度传感器由于精度高、稳定性好、可靠性强、寿命长，所以广泛应用于气象、农林、化纤、食品、汽车、家用电器、工业自动化测量和各种实验仪器仪表等领域。然而随着产量增加，其生产过程中产品的测试问题成为影响产品产量和质量的关键问题，研制开发高性能价格比的测试系统，不仅可为生产商提供必要的测试工具，还可为温度传感器的可靠性研究提供有效的手段。本文介绍了Pt电阻温度传感器测试系统的多通道信号调理模块的原理及电路设计。

　　二、信号调理模块的构成及工作原理

　　Pt膜温度传感器测试系统信号调理模块的基本原理如图1所示，整套测试系统一共有n个单元测量电路，能实现传感器的多通道测量。每个单元测量电路采用四线制的方式进行设计，而这种四线制的结构中需要一个精密的恒流源；此外，由于单元测量电路的输出信号较弱，还需要将输出信号进行直流放大，放大后再进行A/D转换。为了提高测量精度，减小测量时外围电路带来的误差，本设计采用了多路电子开关Ka，使得n路单元测量电路共用一个0.5mA的精密恒流源，同时使 n路单元测量电路共用一个放大电路，即在对Pt温度传感器进行测量时，只有当电子开关组Ka和Kb组的第n个开关同时接通时才能够选中第n个Pt温度传感器并对其进行参数的测量。

　　本系统采用了32个八选一的多路开关器件CD4051和两个74LS138组成电子开关阵列，实现了对128个通道控制，可选择128个Pt电阻中任意一个进行测试。测量电路所测得的Pt电阻传感器两端的电压经过放大电路后进入MSP430单片机的进行A/D转换。

　　三、恒流源的设计

　　恒流源原理如图2所示[3、4]。本测试系统恒流源的电流值定为0.5mA，此电流值定为0.5mA主要有以下两个原因：

　　（1）、如果恒流源的电流值过大，电流在流过Pt电阻时产生的热量会影响测试精度。根据经验，电流值不能大于1mA；

　　（2）、如果恒流源的电流值过小，在测试时输出的信号就会很小，为了使测量的信号满足A/D的要求就必须加大放大电路的放大倍数，这样就加大了系统的误差。综合考虑上述两个原因，本系统中恒流源的电流值定为0.5mA。恒流源电路设计中使用了TLC2652高精度斩波稳零运算放大器[2]和电压基准源TL431。 TLC2652斩波稳零的工作方式使其具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声等特点。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调的电压基准源，它的输出电压可以在2.5V到36V范围内设置。

　　在设计恒流源时，电压基准源TL431使得A、B两端的电压为2.5 V，B点与TLC2652的3脚的电位相等，而TLC2652的3脚与其2脚虚短，即3脚与2脚的电位相等，也就相当于B点与TLC2652的2脚电位相等，即R1两端的电压与A、B两端的电压相等，也为2.5V，从而可以计算出流过R1的电流I1为0.5mA。TLC2652的2脚与其3脚虚断，也就是说TLC2652的2脚没有电流输出，所以有I2=I1。换言之就是我们在C处得到0.5mA的恒流输出[4、5]。

　　四、放大电路的设计

　　由于所测出的Pt电阻温度传感器两端的电压信号较弱，所以此电压在进行A/D转换之前必须经过放大电路（如图3所示）的放大。

　　本系统中放大电路的输入信号在50mV～70mV之间，所用A/D转换的电压范围为0V～2.5V，经过计算，放大电路的放大倍数为35倍左右时可以满足A/D转换的要求。普通的运算放大器的输入失调电压一般在数百微伏以上，失调电压的温度系数在零点几微伏以上。虽然输入失调电压可以被调零，但其漂移则是难以消除的。而斩波稳零型运算放大器TLC2652提供了一种解决微信号放大问题的廉价方案。斩波稳零的工作方式使TLC2652具有优异的直流特性，失调电压为0.5μV（典型值）～1μV（最大值）；输入失调漂移电压为0.003μV/℃（典型值），失调电压长期漂移为0.003μV/月[3][8]。经过计算，TLC2652的性能参数可以满足本系统测量精度的要求，所以本系统的放大电路中的运放采用了TLC2652。

　　五、信号调理模块的精度分析

　　对本测试系统在进行测试时，先将被测一组的Pt电阻温度传感器置于冰水混合物中，测出这组Pt电阻在0℃时两端电压值，再将这组Pt电阻温度传感器置于100℃的液体介质中，测出这组Pt电阻在100℃时两端电压值。被测的温度传感器Pt100在0℃的阻值为100W，在100℃时的阻值为138Ω。而本测试系统所用的A/D输入电压在0V～2.5V。本系统的恒流源的电流定为0.5mA。

　　Pt电阻测温时满足公式：

Rt=R0（1+At+Bt­2） （1）

　　式中，A=3.90802×10-3/℃；B=-5.80195×10-7/℃；Rt、R0-Pt电阻在t℃和0℃时的电阻值。

　　由此可推出公式：

ΔR