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。
在本设计中,对Pt温度传感器进行测试时采用的四线制接线方式可消除因连线过长而引起的误差。如图1中所示的Ptn的等效形式,其中Rn1、Rn2、Rn3和Rn4为引线电阻和接触电阻,且阻值相同。Rn1、Rn2是电压检测回路的引线电阻,Rn3、Rn4是恒流源回路的引线电阻。这种电路在测量电压时,由Rn1和Rn2的电压降引起的测量误差,远远小于Pt电阻温度传感器两端的电压的值,可忽略不计。Rn3和Rn4因为是和恒流源串联连接,故也可忽略。因此γ2≈0。
3、电子开关导通电阻产生的误差
本系统的电子开关采用了八选一的CMOS模拟开关CD4051,其导通时的电阻约为几百欧,但我们可以把Ka导通电阻看作恒流源电路中的运放的差模输入阻抗的一部分。Kb的导通电阻可以看作放大电路中的运放的输入阻抗的一部份,所以γ3≈0
根据TLC2652特性可知,其输入失调电压为0.5μV~1μV;失调电压漂移为0.003μV/ oC;假设系统工作环境的温度变化ΔT=10℃ ,可以计算出放大电路的误差γ4:
γ4=1×10-6+0.003×10-6×20≈0.5×10-6
所以信号调理模块的最大测量误差γ为:
γ= (3)
由于γ<γ总,所以此信号调理模块的测量精度满足要求。
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