CN206523244U - 一种数字式交流电桥铂电阻温度计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种数字式交流电桥铂电阻温度计，包括：交流激励源、电阻电桥、放大单元、相敏检波器、低通滤波器、A/D转换电路、数据传输单元和MCU控制单元，其中，所述交流激励源与所述电阻电桥连接构成交流电阻电桥，所述的相敏检波器、低通滤波器构成低通频带信号提取系统，所述交流电阻电桥通过所述放大单元与所述低通频带信号提取系统连接，所述低通频带信号提取系统与所述A/D转换电路连接，所述A/D转换电路输出的数字信号通过所述数据传输单元传输，所述MCU控制单元分别与所述放大单元、所述A/D转换电路以及所述数据传输单元连接以实现数字化集成与总线控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种温度测量系统，尤其涉及一种数字式交流电桥铂电阻温度计。
背景技术
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器。由于铂电阻温度传感器测量准确度高、测温范围大、重复性和稳定性好、价格低廉，被广泛应用于中温范围的温度测量。目前直流铂电阻电桥是较为通用的温度测量电路。直流铂电阻电桥的特点是结构简单，硬件开支较小，但是抗干扰能力较弱，测温分辨率较低。
实用新型内容
本实用新型目的在于解决现有技术中的上述问题，提出一种数字式交流电桥铂电阻温度计，其可以通过交流电桥和相敏检波技术获得高分辨率测温能力、并通过MCU控制单元和RS485信号传输能够实现数字化集成和总线控制。
本实用新型的一种数字式交流电桥铂电阻温度计，包括：交流激励源、电阻电桥、放大单元、相敏检波器、低通滤波器、A/D转换电路、数据传输单元和MCU控制单元，其中，所述交流激励源与所述电阻电桥连接构成交流电阻电桥，所述的相敏检波器、低通滤波器构成低通频带信号提取系统，所述交流电阻电桥通过所述放大单元与所述低通频带信号提取系统连接，所述低通频带信号提取系统与所述A/D转换电路连接，所述A/D转换电路输出的数字信号通过所述数据传输单元传输，所述MCU控制单元分别与所述放大单元、所述A/D转换电路以及所述数据传输单元连接以实现数字化集成与总线控制。
优选地，所述交流激励源为正弦激励源。
优选地，所述电阻电桥包括第一固定电阻R1、第二固定电阻R2、第三固定电阻R3、可调电阻和铂电阻，串联的第一固定电阻R1、第二固定电阻R2和可调电阻、串联的第三固定电阻R3和铂电阻、与所述交流激励源之间并联，所述第一固定电阻R1和第二固定电阻R2之间的B点接地，所述第三固定电阻R3与所述铂电阻之间的A点与所述放大单元连接。
优选地，所述低通频带信号提取系统通过相敏检波技术提取出交流信号的直流幅度信号。
优选地，所述数据传输单元为RS485总线。
优选地，所述放大单元包括前置放大器和解调放大器。
优选地，所述解调放大器反向比例放大电路，其中使用数字电位器作为放大电阻。
优选地，所述MCU控制单元为单片机。
优选地，所述温度计在-200—650摄氏度的范围内进行温度测量。
本实用新型的有益效果是：由于使用了交流电桥及相敏检波信号技术提取技术，提高了系统的分辨率与抗干扰能力，温度测量的精度可以得到极大的提高。并且，由于引入程控单元(MCU控制单元)和总线传输(信号传输、RS485)，可以使传感器实现数字化集成，总线控制。
附图说明
图1为本实用新型的数字式交流电桥铂电阻温度计的结构示意图。
图2为相敏检波电原理图。
图3为本实用新型的数字式交流电桥铂电阻温度计的一个具体实施方式的部分结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本实用新型作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本实用新型的研究内容而非限制本实用新型的保护范围。
本实用新型的数字式交流电桥铂电阻温度计，可用于中温范围的高精度温度测量，例如可以在-200—650摄氏度的范围内进行温度测量。
如图1所示，包括：交流激励源1、电阻电桥2、放大单元3、相敏检波器4、低通滤波器5、A/D转换电路6、数据传输单元7和MCU控制单元(Microcontroller Unit，微处理单元)8。其中，所述交流激励源1与所述电阻电桥2并联连接构成交流电阻电桥。所述相敏检波器4、低通滤波器5构成低通频带信号提取系统。所述交流电阻电桥通过所述放大单元3与所述低通频带信号提取系统连接，所述低通频带信号提取系统与所述A/D转换电路6连接，所述A/D转换电路6输出的数字信号通过所述数据传输单元7传输，所述MCU控制单元8分别与所述放大单元3、所述A/D转换电路6以及所述数据传输单元7连接以实现数字化集成与总线控制。
所述交流激励源1为正弦激励源。所述电阻电桥2包括第一固定电阻R1、第二固定电阻R2、第三固定电阻R3、可调电阻和铂电阻。其中，第一固定电阻R1、第二固定电阻R2和可调电阻串联连接，第三固定电阻R3和铂电阻串联连接，并与所述交流激励源1并联，从而构成交流电阻电桥。所述第一固定电阻R1和第二固定电阻R2之间的B点接地，所述第三固定电阻R3与所述铂电阻之间的A点与所述放大单元连接。通过调节可调电阻可使桥路达到平衡，即A点对地的电位为零。此时铂电阻因极小的温度变化所引起的电阻变化会引起桥路的不平衡，即A点对地的电位发生变化。该电位变化通过放大单元被信号提取系统所提取。
对于电阻交流测温电桥(上述交流电阻电桥)，应尽量取大阻值电阻，使桥路中电流尽量的小，以避免电流经过电阻产生热量影响温度测量的准确性；同时电阻值又不应过大，致使桥路的输出阻抗过高，影响信号电压的调制、放大(调制、放大电路的输入阻抗在MΩ量级)。数字电路的标准电源电压为3.3V或5V，因此交流激励的电压幅度在6～10V(峰峰值)，同时市面上常用的铂电阻多为PT100(阻值为100Ω)和PT1000(阻值为1KΩ)两种，因此桥路中电阻值应选1KΩ为宜。这样桥路电流在3～5mA，所引起的电阻发热量较小；桥路的输出电阻在2K左右，与调制电路的MΩ量级的输入阻抗相比相差1000倍以上，符合信号调制、放大要求，同时器件的市场普及率也较高，可以较好的控制成本。如果需要得到更好的测温效果，同时不需过多的考虑硬件成本，可定制PT10KΩ(阻值为10KΩ)的铂电阻，桥路电阻(即R1，R2，R3)也选10KΩ电阻，即10KΩ电阻为本桥路的最佳测温效果阻值。
所述放大单元包括前置放大器31和解调放大器32。前置放大器31用于对交流电桥的A点输出的电桥的不平衡电压信号进行放大。解调放大器32用于对经前置放大器31放大后的信号进行解调放大，即将桥路不平衡的电压信号的直流分量去除，并将交流信号按照一定的倍数放大。
由于交流激励源1形成交流电桥，因此传感器输出的电桥不平衡信号是以交流激励为载波的幅度值。对于有载波的信号系统，噪声与带宽成正比，故测量系统的信噪比可用限制带宽的方法来改善。采用相敏检波技术能够稳定地使放大器保持0.1Hz甚至更低的通频带。相敏检波能够将已调制波在幅值和极性上完全恢复调制信号，它根据调制波和载波的相位差来判别调制信号极性。其工作原理如图2所示。
图2中，设参考信号Ur直接从信号源引出，表达式为：
Uγ＝UmSinω0t (1)
上述公式(1)中，Ur表示参考信号，Um表示信号源。ω0表示信号载波频率。
放大输入端除电桥不平衡的电压信号外，还存在各种频率的干扰，为简化分析，假定只存在频率为ω1的干扰信号，则有：
C＝EsSi(nω0t+φ1)+EnSi(nω1t+φ2) (2)
上述公式(2)中，C表示干扰信号，Es表示信号的强度，En表示干扰的强度，φ1表示信号的相位，φ2表示干扰的相位。
乘法器的输出为：
上述公式(3)中，e表示检波乘法器，K表示放大系数。
通过低通滤波后输出Uout为：
上式(1)中反映了电桥失衡的程度，Uγ取恒定值，调节移相器可使Uout最大从而获得较高的检测灵敏度，只有当Es→0，上式(1)才为零。上式(2)代表干扰信号，因为低通滤波器的输出随频率升高而衰减，以RC低通滤波器为例，滤波器中心频率f＝1/2πRC，它决定了相敏检波器的带宽Δω＝2(ω1－ω0)＝2/RC。若选时间常数RC＝10s，f＝0.016Hz，则只有当干扰信号的频率在781.234Hz～781.266Hz之间时，其与f的差频才能通过滤波器，相当于一个品质因素大于104的窄带滤波器，因而能够较好地抑制噪声和干扰。而频率为781Hz的电桥失衡信号却能以很高的增益(Ku>3×104)得以检测。
因此，采用相敏检波技术，桥路的不平衡电压经前置放大器31、调制放大器32后经过相敏检波器4、低通滤波器5能够以很高的增益提取出交流信号的直流幅度信号。
上述提取出来的直流电压信号再经过数字A/D转换器6后获得对应的数字信号，该数字信号通过RS485总线传输。解调放大器32、A/D转换器6、数据传输单元7(RS485总线)均通过MCU控制单元(Microcontroller Unit，微处理单元)8程控与控制，由此实现传感器的数字化集成与总线控制。
图3为本实用新型的数字式交流电桥铂电阻温度计的一个具体实施方式的部分结构示意图。
为减少硬件开支，本实用新型采用市场普及率较高的51系列单片机作为MCU控制单元8。解调放大器32使用反向比例放大电路，使用数字电位器做放大电阻，单片机8与数字电位器连接，通过I/O口控制调整数字电位器的阻值，达到程控控制解调放大单元32的目的。同时，单片机8通过I/O口控制AD芯片(A/D转换器6)，采集电压信号，采集到的电压信号再通过RS485总线传输给用户或上位机。单片机8外接DS18B20芯片作为温度测量粗测传感器，同时DS18B20芯片自带的E2PROM可存储各项参数。
本实用新型中，由于使用了交流电桥及相敏检波信号技术提取技术，提高了系统的分辨率与抗干扰能力，温度测量的精度可以得到极大的提高。并且，由于引入程控单元(MCU控制单元)和总线传输(数字信号传输、RS485)，可以使传感器实现数字化集成，总线控制。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。
Claims (9)
1.一种数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，包括：交流激励源、电阻电桥、放大单元、相敏检波器、低通滤波器、A/D转换电路、数据传输单元和MCU控制单元，其中，所述交流激励源与所述电阻电桥连接构成交流电阻电桥，所述的相敏检波器、低通滤波器构成低通频带信号提取系统，所述交流电阻电桥通过所述放大单元与所述低通频带信号提取系统连接，所述低通频带信号提取系统与所述A/D转换电路连接，所述A/D转换电路输出的数字信号通过所述数据传输单元传输，所述MCU控制单元分别与所述放大单元、所述A/D转换电路以及所述数据传输单元连接以实现数字化集成与总线控制。
2.根据权利要求1所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述交流激励源为正弦激励源。
3.根据权利要求1所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述电阻电桥包括第一固定电阻R1、第二固定电阻R2、第三固定电阻R3、可调电阻和铂电阻，串联的第一固定电阻R1、第二固定电阻R2和可调电阻、串联的第三固定电阻R3和铂电阻、与所述交流激励源之间并联，所述第一固定电阻R1和第二固定电阻R2之间的B点接地，所述第三固定电阻R3与所述铂电阻之间的A点与所述放大单元连接。
4.根据权利要求1所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述低通频带信号提取系统通过相敏检波技术提取出交流信号的直流幅度信号。
5.根据权利要求1所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述数据传输单元为RS485总线。
6.根据权利要求1所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述放大单元包括前置放大器和解调放大器。
7.根据权利要求6所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述解调放大器为反向比例放大电路，其中使用数字电位器作为放大电阻。
8.根据权利要求1所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述MCU控制单元为单片机。
9.根据权利要求1所述的数字式交流电桥铂电阻温度计，其特征在于，所述温度计在-200—650摄氏度的范围内进行温度测量。
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