第30卷第6期 2007年12月 电子器件 alif峨潞Jdur帕1 0f Electmn De、，ic鹋 V01．30 No．6 Dec．2007 C【釉pe髑atiI呲Method and删t f打Ⅱ炝№肾line盯PI唧暇ty of，nIe珊istIDr Ptloo ZHANG zhi—yong，XIN Ch∞Ig—yt‘，zHUY妒￡0ng，J l Xi80-j姗 (丁胁胁加r加绷t∥h站州加啪t&f明卯A竹d王hgfn茹{ng，SJInn咖i 200240，吼f凇) Abst腿ct：Aiming at a Solution to the non-1inear property of Ptl00，with its dla：ra吲sticS and the actual use re— quirements of sKps叫pITle】flt，a new method was brought fbr to cC咖pellSate the nomlinear property caused by the clecrfI丑Se of the incrc卸弓e rate of resista【noe as the incr￡冠se of temperaturB A nor卜linear o(m锥釉sation drcuit is de— Signed for the pu】pose of dynalnic a由uSting pr0哪ing current nowing in the Ptl00．TKs drcuit was designed based on both theo硎cal analySis of principle and dfect of drcuit c(狮ApenS{ltion aJld simuIation in o(m印u『ter．The omth}spot t鹤t of mis drcuit suggests that bet、Ⅳeen the temperature range of 0～650℃，t}le nomlinear inaocuracy of circuit output can be contr01led within no more thaJl O．12％．At present，the drcuit as the cOre tdnperature Hl既Sllr鲫ent and contr01 system has been used in a naval sKp equipnlenL ：I畸vn删s：non—linear circuit；compensation circuit；platinum resistance；Ptl OO EEAOC：7230；7320R Ptl00温度传感器非线性的补偿方法与电路实现 张志勇，辛长宇，朱玉龙，吉小军 (上海交通大学仪器科学与工程系，上海200240) 摘 要：针对铂电阻(Ptloo)温度传感器输出的非线性问题，结合其非线性的具体特点和船舶装备的实际使用要求，提出了 一种补偿其非线性的方法，即通过动态调整流过铂电阻的激励电流，来补偿由于铂电阻随温度升高阻值增加率减小而引起的 非线性，并设计了专用的非线性补偿电路。在对电路补偿原理及效果进行理论分析和计算机模拟仿真的基础上，实际制作了 该非线性补偿电路，并进行了现场测试，结果表明在O-~650℃的温度范围内，电路输出的非线性误差不超过o．12％．目前以 本电路为核心的温度测量与控制系统已实际应用于某海军船舶装备． 关键词：非线性电路；补偿电路，铂电阻I Ptl∞ 中图分类号：1睨12．11 文献标识码：A 文章编号：1∞5-9490(2007)06-2189一03 温度是过程检测与控制中的重要参量，在要求 对温度进行精确测量和控制的条件下，铂热电阻是 一种应用广泛的温度传感器，它具有体积小、准确度 高、测温范围宽、稳定性好、正的温度系数等特点，但 它同时也存在非线性的缺点[1]，因此在利用铂热电 阻进行精确温度测量时，除要克服测量电路自身的 噪声干扰外，还要对铂热电阻的非线性进行矫正．本 文结合船舶装备的实际使用要求，根据铂电阻 (Ptl00)国际分度表函数的非线性特点[2]，提出了一 种在o～650℃范围内补偿其非线性的方法，设计了 专用的非线性补偿电路，在对电路补偿原理及效果 进行理论分析和计算机模拟仿真的基础上，实际制 作了该非线性补偿电路，并进行了现场测试． 1铂电阻Pt：l∞的非线偿恃J戈赂阼摁路 按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂 电阻Ptloo在p～650℃范围内的符合ITS一90的 国际分度表函数足可用下式表示[3]： R。=Ro(1+A一＆2) (1) 其中：R。；Ro分别是t℃和o℃时的铂电阻阻值，R。 =100 Q，A=3．908 02×10一3℃～，B一5．801 95× 10一7℃～． ’该分度函数的特点是覆盖温度范围宽、精度高． 以广泛使用的分度值(以10℃为间隔)来作比较，可 收稿日期：2006—10一20 t ．+ 作者简介：张志勇(1981一)，男，硕士研究生，研究方向为测试计量技术与仪器，jeff335@163．co札 万方数据 

2190 电子 器件 第30卷 以看出，在o～650℃范围内二阶拟合值与实际标称 阻值的最大绝对误差为o．004 9 Q，平均绝对误差为 o．002 6 Q，这时的最大相对误差仅为1．487×10～， 因此该二阶拟合函数完全可以满足高精度测量的要 求[4|．但由于函数中存在非线性项B￡2，因此随着温 度的升高，铂电阻的非线性越来越严重[5]，如图1所 示．非线性项系数小于零，说明电阻的变化率随着 温度的升高而下降，要消除铂电阻非线性对测量输 出的影响，就需要设法补偿在不同温度点时由于电 阻的变化率下降而导致测量输出信号减小或增加的 部分．下面以恒流源激励，电压信号输出测量为例， 来说明本文的补偿思想． 图1铂电阻(PtlOO)阻值与温度关系曲线 设用恒流源L来激励铂电阻，通过测量铂电阻 两端的电压来实现温度测量，则在f℃时铂电阻两 端的输出电压为： V。=joR。=厶Ro(1+A￡一上≈2) (2) 如果没有非线性项B扩存在，输出的电压应为： V’。=IoR。一IoRo(1+A) (3) 可见由于非线性项B产存在，使得实际的输出与线性 输出相比小了厶品B产，这时我们自然想到可以通过 增加激励电流来增加电压输出以抵消它．假定在t℃ 时让激励电流增加△L，这样输出电压将增加： (5) (4) △Ⅵ=△J。R。一△j。．Ro(1+A一＆2) 令△V。一joRo＆2得到： 缸t一再舞 流按J。=L(1+r岛)一L r#志(6) 因此，从理论上看，只要使通过热电阻的激励电 取值，则可以消除输出电压与温度之间的非线性，但 由于f是未知的待测参量，所以电路实现时只能通 过动态反馈的方式来实时调整通过热电阻的激励 电流． 根据上述补偿思想，设计的补偿电路如图2所 示，通过动态调整流过Ptl00的电流来实现电压输 出非线性的补偿，同时考虑到热电阻的安装需要较 长的导线，因此设计的电路也兼顾引线补偿功能．下 面对本电路的工作原理给以分析说明． 万方数据 导线雎降补偿盎}； 非线性动态补偿㈨ k， 虚 母…I ％ 去后级放大I 10i线电I；|：【 图2 Ptl00的非线性补偿电路 设电路中各节点与支路上的电学参量如图2所 示，对运算放大器Ul有： V1一V—j2R2，Ⅵ一V—J4R4，U一音V1，％一u 由此得到： V一2j4R4一J2R2 根据电流关系和虚短原理[6]有： J—L+J4，，4一O 、对于热电阻的三线制连接引线电阻[7]有 R2一R3一R4一，． 将式(8)、(9)代人式(7)得： ． (7) (8) (9) (10) 即图2中左边电路的等效电路为：一，-，对输出 V一_弦 电压有 砜一V+J(R3+R。) (11) 将式(9)、(10)代入式(11)得： ， (12) 从而补偿了导线上的压降嘲．对于运放U2有： K一识。 砜=K=砜一J。R1，砜一去砜 由此得到： 卜鼍 将式(12)代入上式得： (13) ．一 (14) ．、设外部激励电流五为(电路中取五=200弘A)． 、f1=瓜。／R1 ．将上式和支路电流关系r=Z1+L代人式(12)得 砜=皿t一(fi+五)R。一豇2；／R1+JjR。 (15) ’由此得到：‘1 J=五Rl／(R1一R。) (16) 电路中就是通过该式来近似实现式(6)的要求， 需要特别说明的，本式中的L与式(6)中厶的意义 是不同的，式(6)中k代表参考温度下流过热电阻 的电流；而式(16)中的五是恒流源的输出电流，在 图2所示电路中，任何温度下流过热电阻的电流都 不等同于L，因此并不能简单地将式(6)和式(16)作 相等比较．这时热电阻输出电压为： 砜一LRlR，／(R1一R。) (17) 定性分析此式可以看出，温度升高时，R。增加率 

第6期 张志勇，辛长宇等：Ptl00温度传感器非线性的补偿方法与电路实现 2191 减小，但此时R，／(R。一R)增加率随之增大，通过选 择合适的R。，R使增加率减小的效果与Rt／(Rl_R) 增加率随之增大的效果刚好相抵消，则可以实现线性 输出的目的．从电路上看，随着温度的升高，R单位 温度的阻值变化量减少，但同时R的增大使得L增 大，J也随之增大，即流过R的电流增大，这样单位阻 值的输出电压变化量增大，当两个相反的作用刚好抵 消时，输出电压与温度就成了线性关系． 3 R。阻值的确定与补偿效果的仿真 从上面分析可以看出，本电路能否实现预期非 线性补偿功能的关键在于R。阻值的选择．从理论 上讲可以通过将式(17)展开，并令其二阶以上项的 系数为零来求R。，但由于式(17)为无理分式，所以 无法通过此方法求出．这里采用数值解法[9]来优化 R，的取值．目标函数定为砜与￡的最大非线性误 差小于某个给定的值．优化时任意给定一个R。值， 取温度￡一o～650℃，按式(17)计算输出，再通过线 性回归方法求出眠与￡的拟合直线及回归误差(也 就是最大非线性误差)．若回归误差不满足要求则按 一定的搜寻规则改变R。的取值，并重新计算耽及 ‰与￡的拟合直线及回归误差．反复进行上述过程 直到回归误差满足要求为止．这里我们取目标函数 (K与￡的最大非线性误差)为lo一，按上述方法进 行优化得到R，为2 364．6 Q，结合电阻系列标准， 最后选取R。一2．4 kQ，图3所示为补偿前后的输出． 曲线．这时砜与￡的拟合直线为： V。一0．085 509￡+20．856(mV) (18) 温度／℃ 图3补偿前后的输出曲线 图4所示为补偿电路理论输出与上式线性拟合输 出之间的误差曲线，可以看出在≠=o～650℃内补偿电 路实际输出的最大非线性误差为不超过o．05％． 图4补偿电路理论输出的非线性误差 万方数据 4实验测试与结论 为了进一步验证本文提出的Ptl00非线性补偿 方法的实际效果，我们按图2设计制作了相应的非 线性补偿电路并进行了实际测试．测试时利用精密 电阻箱代替Ptloo，并按Ptl00的分度表来设置不 同温度时的阻值，测试结果如表1所示．由电路实际 输出值拟合得到的直线为：K=o。092 061￡+ 21．272(mV)，由表中实验数据可以看出，实际制作 电路的非线性误差不超过o．12％，且与理论仿真结 果吻合很好． 表1 O～2∞℃测量范围测试结果 通过理论分析、计算机模拟仿真和实际电路制 作与测试，表明本文所提方法可以对铂电阻(PtlOo) 在较宽的温度范围内实现高质量的非线性补偿，同 时还可以通过调节激励电流对输出电压进行适当的 放大，因此该补偿电路有望在高精度的铂热电阻温 度测量场合发挥重要作用．目前以本电路为核心的 温度测量与控制系统已实际应用于某海军船舶 装备． 参考文献： [1]周胜海．传感器非线性的硬件校正方法[J]．传感器技术，2002， 21(05)，1—4． [2]王勇，王晓东．高精度铂电阻测温非线性校正方法[J]．测控技 术，2004，23(07)，75—76． [3]赵耿，高恩来．一种铂电阻测温仪用双补偿电路及其设计[J]． 仪表技术，1999，4，29—31． [4]赵岚齐德荣．热电阻测温电路非线性补偿[J]．传感器技术， 2002，21(5)，48—50． [5]李挺朱金刚赵良煦．一种热电阻测温仪导线电阻补偿新方法 [J]．计量技术，2001，04，7—8． [6]童诗白．模拟电子技术[M]．高等教育出版社，第二版，1996． [71陶红．一种热电阻温度测量的全补偿方法[J]．南京师范大学 。学报(工程技术版)，2004，4(1)，70—72． [8]张董闻建静楼建明．铂电阻测温非线性校正方案口]．南昌 大学学报(工科版)，2003，25(3)，53—56． [9]李书泽，张武高，张荣荣，黄震．高精度铂电阻测温电路优化设 计[J]，工业仪表与自动化装置，2005，1，26—28． 

Pt100温度传感器非线性的补偿方法与电路实现 作者： 张志勇， 辛长宇， 朱玉龙， 吉小军， ZHANG Zhi-yong， XIN Chang-yu， ZHU Yu-long ， JI Xiao-jun 上海交通大学仪器科学与工程系,上海,200240 作者单位： 刊名： 电子器件 CHINESE JOURNAL OF ELECTRON DEVICES 2007，30(6) 2次 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数： 参考文献(9条) 1.周胜海 传感器非线性的硬件校正方法[期刊论文]-传感器技术 2002(5) 2.王勇.王晓东 高精度铂电阻测温非线性校正方法[期刊论文]-测控技术 2004(7) 3.赵耿 一种铂电阻测温仪用双补偿电路及其设计[期刊论文]-仪表技术 1999(4) 4.赵岚.齐德荣 热电阻测温电路非线性补偿[期刊论文]-传感器技术 2002(5) 5.李挺.朱金刚.赵良煦 一种热电阻测温仪导线电阻补偿新方法[期刊论文]-计量技术 2001(4) 6.童诗白 模拟电子技术 1996 7.陶红 一种热电阻温度测量的全补偿方法[期刊论文]-南京师范大学学报(工程技术版) 2004(1) 8.张萱.闻建静.楼建明 铂电阻测温非线性校正方案[期刊论文]-南昌大学学报(工科版) 2003(3) 9.李书泽.张武高.张荣荣.黄震 高精度铂电阻测温电路优化设计[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2005(1) 相似文献(0条) 引证文献(2条) 1.李尧.佘焱 水泵电机综合保护装置的设计[期刊论文]-电工技术 2008(10) 2.才智.范长胜.杨冬霞 PT100铂热电阻温度测量系统的设计[期刊论文]-现代电子技术 2008(20) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzqj200706056.aspx 下载时间：2010年3月31日