泽天传感军用线阵温度传感器设计方案报告

发布时间：2017-4-15 发布人：泽天科技点击：

1、设计思想

使用体积小、重量轻的铂电阻（Pt100）作为温度敏感元件，利用大规模集成多路转换开关分时选通每路温度信号，然后通过高速模数转换器将模拟温度信号转换为数字信号。通过单片微处理器MCU将信号进行数字滤波，线性校正，偏移补偿，最终通过RS485总线将温度数据以指定的帧格式传送出去。

2、主要技术指标

温度测量点数：16个；总重量（包括电线、电路）：≤150g；输出：RS485数字信号，每个点的温度；测量范围：-150℃~150℃；精度：≤0.5%；供电电源：+12VDC。

3、系统组成和工作原理

整个系统由温度敏感元件、多路转换开关、电阻电压转换电路、模数转换、单片微处理器RS485总线收发器、电源稳压电路和外壳构成。系统组成框图如下：

图一系统组成框图

温度敏感元件由16个PT100热电阻组成，分别感受不同点的温度。温度的变化将引起电阻的变化。多路转换开关在ＭＣＵ的控制下选通１6路中的一路，将电阻接入电桥，电阻的变化将会使电桥产生不平衡输出，输出的差分电压通过仪表放大器放大，ＭＣＵ启动Ａ／Ｄ转换，并将转换后的数字信号读入到ＭＣＵ内部的ＲＡＭ中，ＭＣＵ在程序的控制下进行数字滤波，线性校正，偏移补偿和标度变换，最终通过ＵＡＲＴ接口将打包的数据发送给ＲＳ４８５收发器，ＲＳ４８５收发器将ＴＴＬ电平转换为４８５电平将温度数字信号传输到总线上。这样，一路温度数据获取完毕。１6路温度信号可以通过分时采集的方式通过RS４８５总线输出。每路温度信号获取的时间约为１ｍｓ。

4、铂电阻设计

国内外最常用的三种接触式测温元件是热电偶、电阻温度计（RTD）和NTC热敏电阻。热电偶的工作温度范围宽，但易受噪声影响，漂移较高，500℃以下测量精度及稳定性较差。NTC热敏电阻灵敏度高，但稳定性差、线性与互换性差，阻值偏差大。远距离、非接触式测温中用得多的是红外温度传感器，但它受水气、烟雾、尘雾、尘埃等影响较大，这些都不适合环境恶劣的军用传感器性能要求。在低、中温段，以电阻温度计的线性最好，尤其是铂热敏电阻，凭借其上佳的线性和无与伦比的长期稳定性，确立了自己作为温度参考传递国际标准的地位。所以，高精度、高稳定性的军用传感器基本都是采用的铂热电阻温度传感器。

铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：

在0~600℃温度范围内 Rt= R0（1+At+Bt2）…………………………………（1）

在-190℃~0℃温度范围内 Rt= R0（1+At+Bt2+C（t-100））t3 ……………………（2）

式中R0，Rt 分别是0℃和℃时的电阻值；A —常数（3.96847×10-3/℃）；B —常数（-5.847×10-7/℃）；C —常数（-4.22×10-12/℃）；

图2是金属铂电阻的阻值随温度的变化关系，在一定的温区内，电阻阻值的变化量与温度基本呈线性。

图2 金属电阻的阻值随温度的变化关系

本项目将利用金属铂的这种热电阻制作成薄膜热电阻。该薄膜热电阻溅镀在基底材料上，基底材料可以是金属材料或者陶瓷。在基底材料上先镀一层性能优良的绝缘膜，再在其上制作电阻膜。图3是各种功能薄膜的分布图。第一层是基底材料，上面依次是绝缘膜、电阻膜、保护膜、引线膜。

铂膜热电阻的温度测量原理是：热能铂膜电阻值变化。电阻器封装采用耐温材料，芯片与封装体之间的电气连接采用金丝球焊件，如图4所示。

图4 整体结构示意图

一般选用陶瓷作为基底材料，对于要求快速响应的热电阻采用导热性好的金属材料作基底，经抛光后，在基底材料上沉积一层绝缘膜，然后在绝缘层上溅射铂电阻膜，经离子束刻蚀成栅条电阻，再在电阻膜层上溅射一层保护绝缘膜。每片基片上可制造10-20支电阻器图5，芯片制造工艺完成后再进行切片，内引线，封装，检测。选用PT100作为温度敏感元件，精度为1/3B级，温度误差为0.3度。该电阻在0摄氏度时电阻为100Ω。由于产品工作在-150℃~150℃，且引线长度为0.5m，因此引线选用温度适用范围宽的特氟龙F4，它可以制成外径很细的线缆，质量轻。每只温度PT100铂膜热电阻和导线总重控制在1g~1.2g。

图5 芯片组

5、电路设计

电路除了实现基本的功能外，还必须满足军品部件宽工作温度范围，高可靠性的要求。另外还必须使电路板的重量控制在40g。在电路的设计上，尽量减少元器件的数量，以精简的原理实现功能要求和技术指标。模拟多路转换开关选用AD公司的ADG706，它拥有16个模拟通道，供电电压为+1.8V~+5.5V。2.5Ω的导通电阻，40ns的切换时间，28引脚表贴封装，超低功耗。其中15个通道分别接15个热电阻的一端，另外一个为用的通道接地，以减小干扰。多路转换开关将热电阻选通接入电桥，电桥使用5.3V供电。通过配置桥臂电阻使流过热电阻的电流小于1mA，以减小热电阻自热产生的误差。当温度在-150℃~150℃变化时，将产生70mv左右的差分电压。在电桥顶端和底端串接电阻可将共模电压设置为2.5V。

差分电压需经过放大才能为A/D电路所处理。选用高输入阻抗的仪表放大器AD627来进行放大。AD627精度高，功耗低，具备rail-to-rail输出。使用简单，有SOIC贴片封装形式供应。放大后的信号为0~2.5V 的电压信号。0~2.5V的信号经12bit的A/D转换后，通过并行端口由单片机读入到RAM中。A/D转换器采用AD7492，12bits的转换精度，1.25M的采样速率、16mW低功耗，24脚SOIC贴片封装。该芯片需要的外部分立器件少，自带时钟发生器。单片机选用封装小，重量轻的AT89C51，该MCU的单周期指令执行时间为0.5us，具有32个可编程I/O端口，2个16位的定时/计数器，1个UART接口， UART接口可以与485总线收发器连接。RS485收发器选用MAX13084EASA。最高传输速率为100Kbps，全双工通信模式。8引脚SO封装。单片机的电源监控电路选用MAX707，保证单片机的内部程序正常运行，不出现死机现象。

以上器件的选择和电路的设计上，兼顾了供电电源的统一性，供电均在5V~5.25V之间，消耗电流在0.5A以下。选用NS的LM117三端可调稳压器给整个电路供电。整个电路由7块小封装贴片IC和20个左右的贴片阻容器件组成，在重量上进行了充分的考虑，此电路的每路温度信号最大的采集时间为1ms。采集16路温度信号，总共需要16ms。如果系统对每路温度信号最大的采集时间允许大于5ms，则电路可以仅由4块IC组成，重量还将有所减轻，故障率也会相应降低。所有器件均可在-40℃~85℃环境下使用。为满足高可靠性要求，所有集成IC选用军品级或汽车级器件。阻容选用国内生产的军品元件。

6、结构设计

铂电阻尺寸不大于Φ4×20mm，由0.5m的特氟龙F4导线引到电路板上。铂电阻的固定方式可以根据用户的使用情况用硬铝制作小型法兰盘。铂电阻与电路的连接方式为过线孔焊接方式，保证重量轻和抗拉扯性能。电路板的尺寸设计为50×60mm2，采用双面布置元器件减小电路板尺寸。电路板安装在60×80×23mm3 的铝合金外壳内，铝合金外壳壁厚为3mm，电连接器选用微型GM5-2BF连接器。外壳加电连接器的重量约为80克。

7、结论