本實(shí)用新型涉及一種溫度測量系統(tǒng)，尤其涉及一種數(shù)字式交流電橋鉑電阻溫度計(jì)。

背景技術(shù)：

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器。由于鉑電阻溫度傳感器測量準(zhǔn)確度高、測溫范圍大、重復(fù)性和穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用于中溫范圍的溫度測量。目前直流鉑電阻電橋是較為通用的溫度測量電路。直流鉑電阻電橋的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，硬件開支較小，但是抗干擾能力較弱，測溫分辨率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提出一種數(shù)字式交流電橋鉑電阻溫度計(jì)，其可以通過交流電橋和相敏檢波技術(shù)獲得高分辨率測溫能力、并通過MCU控制單元和RS485信號(hào)傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化集成和總線控制。

本實(shí)用新型的一種數(shù)字式交流電橋鉑電阻溫度計(jì)，包括：交流激勵(lì)源、電阻電橋、放大單元、相敏檢波器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸單元和MCU控制單元，其中，所述交流激勵(lì)源與所述電阻電橋連接構(gòu)成交流電阻電橋，所述的相敏檢波器、低通濾波器構(gòu)成低通頻帶信號(hào)提取系統(tǒng)，所述交流電阻電橋通過所述放大單元與所述低通頻帶信號(hào)提取系統(tǒng)連接，所述低通頻帶信號(hào)提取系統(tǒng)與所述A/D轉(zhuǎn)換電路連接，所述A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)通過所述數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸，所述MCU控制單元分別與所述放大單元、所述A/D轉(zhuǎn)換電路以及所述數(shù)據(jù)傳輸單元連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集成與總線控制。

優(yōu)選地，所述交流激勵(lì)源為正弦激勵(lì)源。

優(yōu)選地，所述電阻電橋包括第一固定電阻R1、第二固定電阻R2、第三固定電阻R3、可調(diào)電阻和鉑電阻，串聯(lián)的第一固定電阻R1、第二固定電阻R2和可調(diào)電阻、串聯(lián)的第三固定電阻R3和鉑電阻、與所述交流激勵(lì)源之間并聯(lián)，所述第一固定電阻R1和第二固定電阻R2之間的B點(diǎn)接地，所述第三固定電阻R3與所述鉑電阻之間的A點(diǎn)與所述放大單元連接。

優(yōu)選地，所述低通頻帶信號(hào)提取系統(tǒng)通過相敏檢波技術(shù)提取出交流信號(hào)的直流幅度信號(hào)。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)傳輸單元為RS485總線。

優(yōu)選地，所述放大單元包括前置放大器和解調(diào)放大器。

優(yōu)選地，所述解調(diào)放大器反向比例放大電路，其中使用數(shù)字電位器作為放大電阻。

優(yōu)選地，所述MCU控制單元為單片機(jī)。

優(yōu)選地，所述溫度計(jì)在-200—650攝氏度的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。

本實(shí)用新型的有益效果是：由于使用了交流電橋及相敏檢波信號(hào)技術(shù)提取技術(shù)，提高了系統(tǒng)的分辨率與抗干擾能力，溫度測量的精度可以得到極大的提高。并且，由于引入程控單元(MCU控制單元)和總線傳輸(信號(hào)傳輸、RS485)，可以使傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集成，總線控制。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的數(shù)字式交流電橋鉑電阻溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為相敏檢波電原理圖。

圖3為本實(shí)用新型的數(shù)字式交流電橋鉑電阻溫度計(jì)的一個(gè)具體實(shí)施方式的部分結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，其目的僅在于更好地理解本實(shí)用新型的研究內(nèi)容而非限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

本實(shí)用新型的數(shù)字式交流電橋鉑電阻溫度計(jì)，可用于中溫范圍的高精度溫度測量，例如可以在-200—650攝氏度的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。

如圖1所示，包括：交流激勵(lì)源1、電阻電橋2、放大單元3、相敏檢波器4、低通濾波器5、A/D轉(zhuǎn)換電路6、數(shù)據(jù)傳輸單元7和MCU控制單元(Microcontroller Unit，微處理單元)8。其中，所述交流激勵(lì)源1與所述電阻電橋2并聯(lián)連接構(gòu)成交流電阻電橋。所述相敏檢波器4、低通濾波器5構(gòu)成低通頻帶信號(hào)提取系統(tǒng)。所述交流電阻電橋通過所述放大單元3與所述低通頻帶信號(hào)提取系統(tǒng)連接，所述低通頻帶信號(hào)提取系統(tǒng)與所述A/D轉(zhuǎn)換電路6連接，所述A/D轉(zhuǎn)換電路6輸出的數(shù)字信號(hào)通過所述數(shù)據(jù)傳輸單元7傳輸，所述MCU控制單元8分別與所述放大單元3、所述A/D轉(zhuǎn)換電路6以及所述數(shù)據(jù)傳輸單元7連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集成與總線控制。

所述交流激勵(lì)源1為正弦激勵(lì)源。所述電阻電橋2包括第一固定電阻R1、第二固定電阻R2、第三固定電阻R3、可調(diào)電阻和鉑電阻。其中，第一固定電阻R1、第二固定電阻R2和可調(diào)電阻串聯(lián)連接，第三固定電阻R3和鉑電阻串聯(lián)連接，并與所述交流激勵(lì)源1并聯(lián)，從而構(gòu)成交流電阻電橋。所述第一固定電阻R1和第二固定電阻R2之間的B點(diǎn)接地，所述第三固定電阻R3與所述鉑電阻之間的A點(diǎn)與所述放大單元連接。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可使橋路達(dá)到平衡，即A點(diǎn)對(duì)地的電位為零。此時(shí)鉑電阻因極小的溫度變化所引起的電阻變化會(huì)引起橋路的不平衡，即A點(diǎn)對(duì)地的電位發(fā)生變化。該電位變化通過放大單元被信號(hào)提取系統(tǒng)所提取。

對(duì)于電阻交流測溫電橋(上述交流電阻電橋)，應(yīng)盡量取大阻值電阻，使橋路中電流盡量的小，以避免電流經(jīng)過電阻產(chǎn)生熱量影響溫度測量的準(zhǔn)確性；同時(shí)電阻值又不應(yīng)過大，致使橋路的輸出阻抗過高，影響信號(hào)電壓的調(diào)制、放大(調(diào)制、放大電路的輸入阻抗在MΩ量級(jí))。數(shù)字電路的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓為3.3V或5V，因此交流激勵(lì)的電壓幅度在6～10V(峰峰值)，同時(shí)市面上常用的鉑電阻多為PT100(阻值為100Ω)和PT1000(阻值為1KΩ)兩種，因此橋路中電阻值應(yīng)選1KΩ為宜。這樣橋路電流在3～5mA，所引起的電阻發(fā)熱量較小；橋路的輸出電阻在2K左右，與調(diào)制電路的MΩ量級(jí)的輸入阻抗相比相差1000倍以上，符合信號(hào)調(diào)制、放大要求，同時(shí)器件的市場普及率也較高，可以較好的控制成本。如果需要得到更好的測溫效果，同時(shí)不需過多的考慮硬件成本，可定制PT10KΩ(阻值為10KΩ)的鉑電阻，橋路電阻(即R1，R2，R3)也選10KΩ電阻，即10KΩ電阻為本橋路的最佳測溫效果阻值。

所述放大單元包括前置放大器31和解調(diào)放大器32。前置放大器31用于對(duì)交流電橋的A點(diǎn)輸出的電橋的不平衡電壓信號(hào)進(jìn)行放大。解調(diào)放大器32用于對(duì)經(jīng)前置放大器31放大后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)放大，即將橋路不平衡的電壓信號(hào)的直流分量去除，并將交流信號(hào)按照一定的倍數(shù)放大。

由于交流激勵(lì)源1形成交流電橋，因此傳感器輸出的電橋不平衡信號(hào)是以交流激勵(lì)為載波的幅度值。對(duì)于有載波的信號(hào)系統(tǒng)，噪聲與帶寬成正比，故測量系統(tǒng)的信噪比可用限制帶寬的方法來改善。采用相敏檢波技術(shù)能夠穩(wěn)定地使放大器保持0.1Hz甚至更低的通頻帶。相敏檢波能夠?qū)⒁颜{(diào)制波在幅值和極性上完全恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，它根據(jù)調(diào)制波和載波的相位差來判別調(diào)制信號(hào)極性。其工作原理如圖2所示。

圖2中，設(shè)參考信號(hào)Ur直接從信號(hào)源引出，表達(dá)式為：

U_γ＝U_mSinω₀t (1)

上述公式(1)中，Ur表示參考信號(hào)，Um表示信號(hào)源。ω₀表示信號(hào)載波頻率。

放大輸入端除電橋不平衡的電壓信號(hào)外，還存在各種頻率的干擾，為簡化分析，假定只存在頻率為ω₁的干擾信號(hào)，則有：

C＝E_sSi(nω₀t+φ₁)+E_nSi(nω₁t+φ₂) (2)

上述公式(2)中，C表示干擾信號(hào)，Es表示信號(hào)的強(qiáng)度，En表示干擾的強(qiáng)度，φ₁表示信號(hào)的相位，φ₂表示干擾的相位。

乘法器的輸出為：

上述公式(3)中，e表示檢波乘法器，K表示放大系數(shù)。

通過低通濾波后輸出Uout為：

上式(1)中反映了電橋失衡的程度，U_γ取恒定值，調(diào)節(jié)移相器可使Uout最大從而獲得較高的檢測靈敏度，只有當(dāng)Es→0，上式(1)才為零。上式(2)代表干擾信號(hào)，因?yàn)榈屯V波器的輸出隨頻率升高而衰減，以RC低通濾波器為例，濾波器中心頻率f＝1/2πRC，它決定了相敏檢波器的帶寬Δω＝2(ω₁－ω₀)＝2/RC。若選時(shí)間常數(shù)RC＝10s，f＝0.016Hz，則只有當(dāng)干擾信號(hào)的頻率在781.234Hz～781.266Hz之間時(shí)，其與f的差頻才能通過濾波器，相當(dāng)于一個(gè)品質(zhì)因素大于10⁴的窄帶濾波器，因而能夠較好地抑制噪聲和干擾。而頻率為781Hz的電橋失衡信號(hào)卻能以很高的增益(Ku>3×10⁴)得以檢測。

因此，采用相敏檢波技術(shù)，橋路的不平衡電壓經(jīng)前置放大器31、調(diào)制放大器32后經(jīng)過相敏檢波器4、低通濾波器5能夠以很高的增益提取出交流信號(hào)的直流幅度信號(hào)。

上述提取出來的直流電壓信號(hào)再經(jīng)過數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器6后獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)通過RS485總線傳輸。解調(diào)放大器32、A/D轉(zhuǎn)換器6、數(shù)據(jù)傳輸單元7(RS485總線)均通過MCU控制單元(Microcontroller Unit，微處理單元)8程控與控制，由此實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)字化集成與總線控制。

圖3為本實(shí)用新型的數(shù)字式交流電橋鉑電阻溫度計(jì)的一個(gè)具體實(shí)施方式的部分結(jié)構(gòu)示意圖。

為減少硬件開支，本實(shí)用新型采用市場普及率較高的51系列單片機(jī)作為MCU控制單元8。解調(diào)放大器32使用反向比例放大電路，使用數(shù)字電位器做放大電阻，單片機(jī)8與數(shù)字電位器連接，通過I/O口控制調(diào)整數(shù)字電位器的阻值，達(dá)到程控控制解調(diào)放大單元32的目的。同時(shí)，單片機(jī)8通過I/O口控制AD芯片(A/D轉(zhuǎn)換器6)，采集電壓信號(hào)，采集到的電壓信號(hào)再通過RS485總線傳輸給用戶或上位機(jī)。單片機(jī)8外接DS18B20芯片作為溫度測量粗測傳感器，同時(shí)DS18B20芯片自帶的E²PROM可存儲(chǔ)各項(xiàng)參數(shù)。

本實(shí)用新型中，由于使用了交流電橋及相敏檢波信號(hào)技術(shù)提取技術(shù)，提高了系統(tǒng)的分辨率與抗干擾能力，溫度測量的精度可以得到極大的提高。并且，由于引入程控單元(MCU控制單元)和總線傳輸(數(shù)字信號(hào)傳輸、RS485)，可以使傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集成，總線控制。

顯然，本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本實(shí)用新型，而并非用作為對(duì)本實(shí)用新型的限定，只要在本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本實(shí)用新型的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。