一種基于放大器和溫度傳感器的溫度采集方案

王 冠，陳建魁，翟 潔，史明輝

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院數(shù)字制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074)

0 引言

溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于需要進(jìn)行溫度測(cè)量及控制的生產(chǎn)過(guò)程中。文中所論述的溫度控制系統(tǒng)具體應(yīng)用于RFID標(biāo)簽制造工藝中。標(biāo)簽芯片倒裝放置于鍵合位置后，需要對(duì)ACA導(dǎo)電膠(Anisotropic Conductive Adhesives)熱壓、固化以完成芯片與天線的物理互連。導(dǎo)電膠熱壓固化溫度在180 ℃左右，測(cè)溫精度為±1 ℃，響應(yīng)時(shí)間在10 s以內(nèi)。文中設(shè)計(jì)的溫度采集電路方案也可為其他溫度控制系統(tǒng)的溫度采集方案提供參考。

根據(jù)工業(yè)應(yīng)用需求，溫度采集模塊的溫度采集原理一般是熱電偶、熱電阻或溫度變送器輸出的電壓、電流信號(hào)經(jīng)濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換后，將測(cè)量數(shù)據(jù)送進(jìn)單片機(jī)分析處理，將測(cè)量結(jié)果存于外存儲(chǔ)器中[1]。其中，基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測(cè)系統(tǒng)，主要由鉑電阻傳感器驅(qū)動(dòng)電路、儀用放大電路及A/D轉(zhuǎn)換電路組成，測(cè)溫精度可達(dá)到±0.1 ℃[2]．對(duì)鉑電阻測(cè)溫正反饋線性化電路的輸出特性進(jìn)行分析，給出了提高線性度和靈敏度相應(yīng)擬合直線的建立與設(shè)計(jì)方法，可有效地提高了測(cè)溫系統(tǒng)的精度[3]。AD轉(zhuǎn)換模塊中，部分采集裝置不需要A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，用MCU中的比較器就可得到信號(hào)傳過(guò)來(lái)的電壓[4]。

溫度控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量部分有著較高的要求[5]。因此溫控系統(tǒng)的溫度采集電路中，各元器件的性能直接影響到系統(tǒng)的精度和可靠性。目前關(guān)于多路溫控器中的放大器和鉑電阻傳感器的性能測(cè)試分析較少。因此，文中設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的溫度采集方案，并且設(shè)計(jì)了相關(guān)的測(cè)試方法，進(jìn)行以LM324放大器為核心的放大器采集電路的性能測(cè)試，以及溫度傳感器的性能包括分辨率、響應(yīng)速度等的測(cè)試，綜合分析了該方案的可行性，為溫度控制系統(tǒng)的放大器與溫度傳感器選型方案提供參考。

1 溫度采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及硬件電路

溫度采集電路的硬件實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。

圖1 溫度采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

溫度傳感器能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，常用的有熱電阻和熱電偶。熱電阻依靠電阻的變化反應(yīng)溫度的變化，熱電偶依靠雙金屬的接觸電動(dòng)勢(shì)變化反應(yīng)溫度變化。熱電偶的溫度特性曲線比熱電阻差，精度、響應(yīng)速度也不及熱電阻。所以，文中選用熱電阻中的鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器阻值隨溫度呈近似線性變化，0～100 ℃時(shí)變化在0.385 Ω/℃左右。輸入Pt100鉑電阻傳感器的電流必須高低適中，既不能過(guò)小以保證鉑電阻傳感器的靈敏度[6]，又不能過(guò)大，避免鉑電阻內(nèi)部受熱過(guò)度造成誤差增大。因此pt100最佳的工作條件是流過(guò)電流約為1 mA．兩端電壓變化約為0.385 mV/℃，變化值過(guò)小。使用放大器將能反映溫度變化情況的鉑電阻兩端電壓進(jìn)行放大處理。計(jì)算時(shí)直接將鉑電阻的輸出電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，方案中采用12位的A/D轉(zhuǎn)換，測(cè)量數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)分析處理就可與溫度值對(duì)應(yīng)起來(lái)。

圖2 溫度采集電路

為了確定溫度采集方案的可行性，需要對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試分析。放大器和溫度傳感器的精度和響應(yīng)速度會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的效果產(chǎn)生重要的影響。文中選用了放大器及4種鉑電阻溫度傳感器分別進(jìn)行性能比較測(cè)試。

LM324是一款具有4個(gè)放大器的集成IC元件，支持3.3～30 V單電源供電，應(yīng)用相對(duì)成熟。因此文中方案選擇LM324作為采集電路中放大器，測(cè)試放大電路效果。

鉑電阻感應(yīng)靈敏，熱反應(yīng)速度快；測(cè)量精度高，長(zhǎng)期復(fù)現(xiàn)性好，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，線性度好[7]。Pt100為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。當(dāng)溫度是0 ℃時(shí)，電阻為100 Ω，每攝氏度阻值變化約為0.385 Ω．鉑電阻傳感器的原理是，根據(jù)已知的電阻-溫度關(guān)系，可以計(jì)算出被測(cè)溫度值。

擬對(duì)4種鉑電阻進(jìn)行性能測(cè)試。4種鉑電阻傳感器如圖 3所示，型號(hào)從右至左為STT-R1215、BD-PT100-156B、BD-WZP-PT100、BD-1632-100。

圖3 4種不同類型的鉑電阻

4種不同類型鉑電阻的性能參數(shù)如表1所示。

表1 四種鉑電阻性能參數(shù)

注：在溫度階躍變化時(shí)，溫度傳感器的輸出變化至量程變化的90%所需要的時(shí)間稱為熱響應(yīng)時(shí)間，用τ表示。

2 測(cè)試方案及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用電位器模擬鉑電阻(PT100實(shí)際由電位器代替)，使用NI動(dòng)態(tài)采集儀分別采集電位器兩端電壓和經(jīng)放大器輸入的電壓。使用測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)試水杯里水的溫度。

2．1測(cè)試LM324放大器的性能

溫度控制系統(tǒng)屬于定值控制系統(tǒng)，由單電源對(duì)放大器進(jìn)行供電，采用電位器模擬鉑電阻，測(cè)量不同阻值下放大器的放大倍數(shù)是否能保持良好。理想放大比A取值為11。

3.1.3 壩料攤鋪 粘土心墻料鋪筑沿壩軸線進(jìn)行，鋪料時(shí)嚴(yán)格控制鋪土厚度，土料采用推土機(jī)及裝載機(jī)攤鋪平整，并隨時(shí)進(jìn)行鋪料厚度測(cè)量，確保厚度滿足要求。

將所采集的輸入和輸出電壓進(jìn)行線性擬合，線性擬合方程為：U輸出=12.09U輸入-0.179 3，線性擬合曲線結(jié)果如圖4所示：

圖4 曲線擬合的結(jié)果

擬合曲線和理想曲線具有較好的一致性，可見(jiàn)LM324放大性能較穩(wěn)定；實(shí)際數(shù)據(jù)與理想放大器輸出的最大偏差為8.79%，不同阻值下放大倍數(shù)能良好地處于放大器工作范圍之內(nèi)。

RFID設(shè)備溫度控制系統(tǒng)對(duì)溫度控制范圍為0～300 ℃，查詢鉑電阻分度表，PT100的阻值變化范圍為100～212 Ω，兩端電壓其變化范圍為0.097 1～0．199 V，經(jīng)LM324放大11倍后，采樣電壓范圍1.068～2.199 V．設(shè)計(jì)的溫度控制方案精度為1 ℃，則電壓變化為0.003 77 V/℃．

采用12位的A/D轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)電壓為2.4 V(溫漂15 ppm/℃)，在0～2.4 V內(nèi)AD轉(zhuǎn)換的分辨率為0.000 59 V，變化的電壓值為6.453 V/℃．可見(jiàn)，在測(cè)試電路中Pt100經(jīng)LM324放大后的信息足以完整被A/D轉(zhuǎn)換器接收，在該方案中可選擇LM324作為放大器件。

2．2測(cè)試鉑電阻傳感器的性能：

實(shí)驗(yàn)在搭建的平臺(tái)上進(jìn)行，硬件結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖 5所示。平臺(tái)硬件組成從左至右依次為：工業(yè)PC機(jī)，NI數(shù)據(jù)采集儀，溫度傳感器，溫控電路板，溫度采集儀等。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

文中采用的測(cè)試方案是：(1)將鉑電阻從冰水放到沸水中，通過(guò)近似階躍的輸入測(cè)試響應(yīng)特性。(2)通過(guò)鉑電阻采集到高溫水降溫至室溫過(guò)程中的溫度與實(shí)際水溫對(duì)比，分析傳感器的分辨率。其中，NI數(shù)據(jù)采集儀采集鉑電阻兩端電壓變化以及經(jīng)放大器放大的鉑輸出電壓變化。溫度采集儀記錄水杯中的溫度值。

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：在搭建好的平臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)電路板上接入鉑電阻傳感器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)溫環(huán)境對(duì)象分別0 ℃的冰水混合物和持續(xù)加熱至100 ℃的沸水，首先將鉑電阻從冰水中拿出放入沸水中持續(xù)1 min，接著放入冰水中持續(xù)1 min；然后再放入沸水中，接著在沸水中慢慢加入冷水使其降溫到室溫(約20 ℃)；整個(gè)過(guò)程中使用溫度采集儀實(shí)時(shí)采集水降溫的溫度。

NI數(shù)據(jù)采集儀采集到的數(shù)據(jù)有80多萬(wàn)組，根據(jù)時(shí)間情況篩選了每個(gè)過(guò)程的400 s時(shí)間，選擇了4 000組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)Matlab分析，獲得如圖6所示的4組曲線，圖中“輸出”曲線為經(jīng)過(guò)放大器放大的電壓變化曲線，“輸入”曲線為鉑電阻兩端電壓變化曲線。

(a)STT-R1210

(b)BD-PT100-156B

(c)BD-WZP-PT100

(d)BD-1632-100

4組曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致，在近50 s的時(shí)候，傳感器由冰水進(jìn)入沸水，電壓值有類階躍的明顯變化，此后電壓值一直上升至最大值(1.4～1.5 V之間)；在100 s的時(shí)候，傳感器由沸水中拿出放入冰水中，電壓值下降至最低(1～1.1 V之間)；然后將傳感器放入沸水中，電壓值明顯增大，伴隨著沸水水溫降低，電壓值也緩慢降低。

而且，每組鉑電阻輸入、輸出電壓呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律，跟隨性比較好，可見(jiàn)放大器的性能比較理想。關(guān)于4組鉑電阻傳感器響應(yīng)時(shí)間的分析結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)量

根據(jù)表2，鉑電阻STT-R1215相對(duì)于其他鉑電阻反應(yīng)最快，響應(yīng)特性較好，STT-R1215和BD-PT100-156B響應(yīng)時(shí)間均比較短，符合溫度采集系統(tǒng)的要求。而B(niǎo)D-WZP-PT100和 BD-1632-100響應(yīng)較滯后，不符合要求。

在4組鉑電阻實(shí)驗(yàn)后半段過(guò)程中，即沸水降溫到室溫的過(guò)程，使用的溫度采集儀獲得的4組溫度變化曲線如圖7所示：

PT100的分辨率反映到溫控電路設(shè)計(jì)中即為每攝氏度變化的電壓值，鉑電阻溫度傳感器的阻值隨溫度上升呈近似勻速增長(zhǎng)，根據(jù)鉑電阻分度表，實(shí)測(cè)溫度在20～100 ℃之間時(shí)，每攝氏度阻值變化平均值為0.383 Ω/℃，從而由分辨率可以估算出每攝氏度電阻偏差率。根據(jù)采集到的溫度和PT100電壓值的變化，得到分辨率如表3所示。

(a)STT-R1210

(b)BD-PT100-156

(c)BD-WZP-PT100

(d)BD-1632-100

表3 分辨率及偏差率測(cè)量

由于測(cè)溫儀測(cè)的是杯壁的溫度，杯壁溫度與杯中水溫大概有5～10 ℃的誤差，因此測(cè)得的分辨率比實(shí)際值偏小約10%。因此根據(jù)表3，4組鉑電阻的偏差率均比較小，分辨率均比較理想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，STT-R1210和BD-PT100-156B傳感器響應(yīng)時(shí)間和分辨率測(cè)試結(jié)果均較為理想，其響應(yīng)和分辨率都比較好，可為需要使用溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)提供選型參考。根據(jù)STT-R1210具有最小的偏差值，選擇STT-R1210作為控制方案的傳感器。

綜合放大器和鉑電阻傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，放大器LM324輸出的最大偏差為8.79%，放大倍數(shù)能良好地處于放大器工作范圍之內(nèi)。鉑電阻傳感器STT-R1210響應(yīng)時(shí)間為2 s，偏差值2.08%，其響應(yīng)和分辨率都比較好。整個(gè)采集電路在0～100 ℃范圍內(nèi)采集溫度偏差小于0.6 ℃，熱響應(yīng)時(shí)間小于10 s．通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以分析得到，整個(gè)溫度采集電路中，所選擇的的放大器和鉑電阻傳感器的性能較好，可以保證溫度采集電路有較高的控制精度和較好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

溫度采集電路是RFID標(biāo)簽制造熱壓裝置中的溫度控制系統(tǒng)模塊的重要組成部分，其中放大器和鉑電阻傳感器作為核心元件，需要有較好的精度、響應(yīng)速度以及穩(wěn)定的性能。文中對(duì)所提出的溫度采集方案進(jìn)行了性能測(cè)試分析和實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明，LM324放大性能穩(wěn)定，實(shí)際數(shù)據(jù)與理想放大器輸出的最大偏差為8.79%，符合溫度采集電路的要求，可選擇作為溫度采集電路的放大器件；鉑電阻傳感器STT-R1210測(cè)試結(jié)果較理想，響應(yīng)時(shí)間短，符合溫度采集系統(tǒng)的要求。文中提出的溫度采集電路方案可以適用于精度為±1 ℃、穩(wěn)定性要求高，可滿足RFID標(biāo)簽制備導(dǎo)電膠熱壓固化工藝中對(duì)溫度控制系統(tǒng)要求，同時(shí)也可用于其他溫度控制系統(tǒng)的溫度采集方案，并為溫度傳感器、放大器選型測(cè)試提供了參考。

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作者簡(jiǎn)介：王冠(1990—)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇囟瓤刂?、熱壓固化。E-mail：Chenjk@mail．hust．edu．cn