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          澤天傳感軍用線陣溫度傳感器設計方案報告

          發布時間:2017-4-15??????發布人:澤天科技??????點擊:

          1、設計思想

          使用體積小、重量輕的鉑電阻(Pt100)作為溫度敏感元件,利用大規模集成多路轉換開關分時選通每路溫度信號,然后通過高速模數轉換器將模擬溫度信號轉換為數字信號。通過單片微處理器MCU將信號進行數字濾波,線性校正,偏移補償,最終通過RS485總線將溫度數據以指定的幀格式傳送出去。

          2、主要技術指標

          溫度測量點數:16個;總重量(包括電線、電路):≤150g;輸出:RS485數字信號,每個點的溫度;測量范圍:-150℃~150℃;精度:≤0.5%;供電電源:+12VDC。

          3、系統組成和工作原理

          整個系統由溫度敏感元件、多路轉換開關、電阻電壓轉換電路、模數轉換、單片微處理器RS485總線收發器、電源穩壓電路和外殼構成。系統組成框圖如下:

          圖一 系統組成框圖

          溫度敏感元件由16個PT100熱電阻組成,分別感受不同點的溫度。溫度的變化將引起電阻的變化。多路轉換開關在MCU的控制下選通16路中的一路,將電阻接入電橋,電阻的變化將會使電橋產生不平衡輸出,輸出的差分電壓通過儀表放大器放大,MCU啟動A/D轉換,并將轉換后的數字信號讀入到MCU內部的RAM中,MCU在程序的控制下進行數字濾波,線性校正,偏移補償和標度變換,最終通過UART接口將打包的數據發送給RS485收發器,RS485收發器將TTL電平轉換為485電平將溫度數字信號傳輸到總線上。這樣,一路溫度數據獲取完畢。16路溫度信號可以通過分時采集的方式通過RS485總線輸出。每路溫度信號獲取的時間約為1ms。

          4、鉑電阻設計

          國內外最常用的三種接觸式測溫元件是熱電偶、電阻溫度計(RTD)和NTC熱敏電阻。熱電偶的工作溫度范圍寬,但易受噪聲影響,漂移較高,500℃以下測量精度及穩定性較差。NTC熱敏電阻靈敏度高,但穩定性差、線性與互換性差,阻值偏差大。遠距離、非接觸式測溫中用得多的是紅外溫度傳感器,但它受水氣、煙霧、塵霧、塵埃等影響較大,這些都不適合環境惡劣的軍用傳感器性能要求。在低、中溫段,以電阻溫度計的線性最好,尤其是鉑熱敏電阻,憑借其上佳的線性和無與倫比的長期穩定性,確立了自己作為溫度參考傳遞國際標準的地位。所以,高精度、高穩定性的軍用傳感器基本都是采用的鉑熱電阻溫度傳感器。

          鉑電阻阻值與溫度變化之間的關系可以近似用下式表示:

          在0~600℃溫度范圍內 Rt= R0(1+At+Bt2)…………………………………(1)

          在-190℃~0℃溫度范圍內 Rt= R0(1+At+Bt2+C(t-100))t3 ……………………(2)

          式中R0,Rt 分別是0℃和℃時的電阻值;A —常數(3.96847×10-3/℃);B —常數(-5.847×10-7/℃);C —常數(-4.22×10-12/℃);

          圖2是金屬鉑電阻的阻值隨溫度的變化關系,在一定的溫區內,電阻阻值的變化量與溫度基本呈線性。

          圖2 金屬電阻的阻值隨溫度的變化關系

          本項目將利用金屬鉑的這種熱電阻制作成薄膜熱電阻。該薄膜熱電阻濺鍍在基底材料上,基底材料可以是金屬材料或者陶瓷。在基底材料上先鍍一層性能優良的絕緣膜,再在其上制作電阻膜。圖3是各種功能薄膜的分布圖。第一層是基底材料,上面依次是絕緣膜、電阻膜、保護膜、引線膜。

          鉑膜熱電阻的溫度測量原理是:熱能  鉑膜電阻值變化。電阻器封裝采用耐溫材料,芯片與封裝體之間的電氣連接采用金絲球焊件,如圖4所示。

          圖4  整體結構示意圖

          一般選用陶瓷作為基底材料,對于要求快速響應的熱電阻采用導熱性好的金屬材料作基底,經拋光后,在基底材料上沉積一層絕緣膜,然后在絕緣層上濺射鉑電阻膜,經離子束刻蝕成柵條電阻,再在電阻膜層上濺射一層保護絕緣膜。每片基片上可制造10-20支電阻器圖5,芯片制造工藝完成后再進行切片,內引線,封裝,檢測。選用PT100作為溫度敏感元件,精度為1/3B級,溫度誤差為0.3度。該電阻在0攝氏度時電阻為100Ω。由于產品工作在-150℃~150℃,且引線長度為0.5m,因此引線選用溫度適用范圍寬的特氟龍F4,它可以制成外徑很細的線纜,質量輕。每只溫度PT100鉑膜熱電阻和導線總重控制在1g~1.2g。

          圖5  芯片組

          5、電路設計

          電路除了實現基本的功能外,還必須滿足軍品部件寬工作溫度范圍,高可靠性的要求。另外還必須使電路板的重量控制在40g。在電路的設計上,盡量減少元器件的數量,以精簡的原理實現功能要求和技術指標。模擬多路轉換開關選用AD公司的ADG706,它擁有16個模擬通道,供電電壓為+1.8V~+5.5V。2.5Ω的導通電阻,40ns的切換時間,28引腳表貼封裝,超低功耗。其中15個通道分別接15個熱電阻的一端,另外一個為用的通道接地,以減小干擾。多路轉換開關將熱電阻選通接入電橋,電橋使用5.3V供電。通過配置橋臂電阻使流過熱電阻的電流小于1mA,以減小熱電阻自熱產生的誤差。當溫度在-150℃~150℃變化時,將產生70mv左右的差分電壓。在電橋頂端和底端串接電阻可將共模電壓設置為2.5V。

          差分電壓需經過放大才能為A/D電路所處理。選用高輸入阻抗的儀表放大器AD627來進行放大。AD627精度高,功耗低,具備rail-to-rail輸出。使用簡單,有SOIC貼片封裝形式供應。放大后的信號為0~2.5V 的電壓信號。0~2.5V的信號經12bit的A/D轉換后,通過并行端口由單片機讀入到RAM中。A/D轉換器采用AD7492,12bits的轉換精度,1.25M的采樣速率、16mW低功耗,24腳SOIC貼片封裝。該芯片需要的外部分立器件少,自帶時鐘發生器。單片機選用封裝小,重量輕的AT89C51,該MCU的單周期指令執行時間為0.5us,具有32個可編程I/O端口,2個16位的定時/計數器,1個UART接口, UART接口可以與485總線收發器連接。RS485收發器選用MAX13084EASA。最高傳輸速率為100Kbps,全雙工通信模式。8引腳SO封裝。單片機的電源監控電路選用MAX707,保證單片機的內部程序正常運行,不出現死機現象。

          以上器件的選擇和電路的設計上,兼顧了供電電源的統一性,供電均在5V~5.25V之間,消耗電流在0.5A以下。選用NS的LM117三端可調穩壓器給整個電路供電。整個電路由7塊小封裝貼片IC和20個左右的貼片阻容器件組成,在重量上進行了充分的考慮,此電路的每路溫度信號最大的采集時間為1ms。采集16路溫度信號,總共需要16ms。如果系統對每路溫度信號最大的采集時間允許大于5ms,則電路可以僅由4塊IC組成,重量還將有所減輕,故障率也會相應降低。所有器件均可在-40℃~85℃環境下使用。為滿足高可靠性要求,所有集成IC選用軍品級或汽車級器件。阻容選用國內生產的軍品元件。

          6、結構設計

          鉑電阻尺寸不大于Φ4×20mm,由0.5m的特氟龍F4導線引到電路板上。鉑電阻的固定方式可以根據用戶的使用情況用硬鋁制作小型法蘭盤。鉑電阻與電路的連接方式為過線孔焊接方式,保證重量輕和抗拉扯性能。電路板的尺寸設計為50×60mm2,采用雙面布置元器件減小電路板尺寸。電路板安裝在60×80×23mm3 的鋁合金外殼內,鋁合金外殼壁厚為3mm,電連接器選用微型GM5-2BF連接器。外殼加電連接器的重量約為80克。

          7、結論

          該方案在原理正確可行,完全可滿足用戶的需求。本文源自澤天傳感,版權所有,轉載請保留出處。

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