多种温度传感器信号调理电路设计

摘要：为了测量某试件多点温度，且温度跨度很大，还要达到要求精度，本文利用几种不同类型的传感器(AD590、PT1000和K型热电偶)进行采集，其输出形式(电流源、电阻和热电势)和大小均不相同，设计了电源电路、信号转换电路和放大抬升电路，使各种传感器的输出达到统一的1～5 V的标准信号；在实验室利用高精度电压、电流源和电阻箱分别对热电偶、AD590和PT1000进行模拟，结果表明该方法可行，调理电路的相对精度可达到0．1级。
关键词：传感器；信号调理；AD590；三线制PT1000；K型热电偶

某试验系统中要求测量被测试件不同部位的温度变化梯度。试件头部到尾部的理论温度最大值依次为1100℃(1个测点)、300℃(2个测点)和100℃(3个测点)。供电电压12 V，要求输出信号1～5 V，相对精度不低于0．5级，重量≤100 g。如果仅仅满足一种温度指标要求，市面上的很多传感器或变送器都能很好的满足要求，若选择一种传感器意味着量程至少1 100℃，该传感器用于测量100℃的测点就很难满足精度，因此需选用不同类型的传感器，然而考虑到重量后就很难选出合适的传感器来，因此本文旨在一片电路板上完成多种传感器的信号调理工作，该设计有较大的实际意义。

1 系统组成
为了提高精度，根据被测温度的大小选用量程接近该温度的传感器，3种不同温度分别选择不同传感器如下。
测量1100℃的传感器用K型热电偶，其测量范围：-200～1300℃，能够满足要求。热电偶的热电势是毫伏级的，0℃时输出为0 V，1100℃输出45．118 7 mV；该信号为幅值比较小，且冷端(自由端)不可能恒为0℃，所以需设计冷端补偿电路和放大器。
测量300℃的传感器用Pt1000的铂电阻，测量范围：-50～300℃：0℃时电阻阻值1 000 Ω，300℃时电阻阻值2 120．515 Ω，反映温度的物理量是电阻，因此需要设计电桥将电阻的变化量转换位差模电压的变换量，然后进行信号放大和电平抬升。
测量100℃的传感器用AD590集成温度传感器，测量范围：-50～150℃，该器件精度较高，全温度范围内，非线性误差仅为±0．3℃，可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1μA／K，即该器件在273．15 K(0℃)时输出273．15 μA电流，温度每升高1℃电流增加1μA；反映温度的是电流信号，因此需要将电流转换成电压信号后进行信号放大和电平抬升。

2 电路设计
调理电路主要由电源和各个放大器以及相应的信号变换电路组成，下面分别对各个模块进行详细论述。
2．1 电源电路
电源电路是让各个模块正常工作，系统使用了两路恒压源，恒压源分别为PT1000电桥电源(9 V)和输出抬升电源(1 V)，9 V电源如图1所示。1 V电源和9 V电源基本相同，只是部分参数不同。电源电路中的集成运算放大器采用LM224，该芯片集成了4组运算放大器，工作电源可为单电源(12V)。

图1中D2为稳压管，9V电源选用额定击穿电压为9．1 V的1N4696，1 V电源选用额定击穿电压为1．2 V的LM385；RW92是电位器，和稳压管并联起到分压的作用，滑动头分别可得到9 V和1 V的电压；运放在这里是电压跟随器，输出电压和电位器滑动头处的电压大小相等；R92是限流电阻，和稳压管串联；两个电容是退耦电容，大小0．1 μF，起到稳定电压的作用。为了不影响稳压管工作电阻阻值不大于500 Ω，电阻功率不小于1 W。电位器阻值不小于10 kΩ。
2．2 ADS90调理电路
AD590是集成温度传感器，输出为电流，相当于恒流源，若要对此进行放大需先转换为电压，可在其回路串入电阻，根据欧姆定律，电阻上电压的大小可反映电流的大小，也就是温度的高低。图2是温度传感器AD590的信号调理变换电路。