本發(fā)明涉及一種溫度測量系統(tǒng)，尤其涉及一種數字式交流電橋鉑電阻溫度計。

背景技術：

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器。由于鉑電阻溫度傳感器測量準確度高、測溫范圍大、重復性和穩(wěn)定性好、價格低廉，被廣泛應用于中溫范圍的溫度測量。目前直流鉑電阻電橋是較為通用的溫度測量電路。直流鉑電阻電橋的特點是結構簡單，硬件開支較小，但是抗干擾能力較弱，測溫分辨率較低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術中的上述問題，提出一種數字式交流電橋鉑電阻溫度計，其可以通過交流電橋和相敏檢波技術獲得高分辨率測溫能力、并通過MCU控制單元和RS485信號傳輸能夠實現(xiàn)數字化集成和總線控制。

本發(fā)明的一種數字式交流電橋鉑電阻溫度計，包括：交流激勵源、電阻電橋、放大單元、相敏檢波器、低通濾波器、A/D轉換電路、數據傳輸單元和MCU控制單元，其中，所述交流激勵源與所述電阻電橋連接構成交流電阻電橋，所述的相敏檢波器、低通濾波器構成低通頻帶信號提取系統(tǒng)，所述交流電阻電橋通過所述放大單元與所述低通頻帶信號提取系統(tǒng)連接，所述低通頻帶信號提取系統(tǒng)與所述A/D轉換電路連接，所述A/D轉換電路輸出的數字信號通過所述數據傳輸單元傳輸，所述MCU控制單元分別與所述放大單元、所述A/D轉換電路以及所述數據傳輸單元連接以實現(xiàn)數字化集成與總線控制。

優(yōu)選地，所述交流激勵源為正弦激勵源。

優(yōu)選地，所述電阻電橋包括第一固定電阻R1、第二固定電阻R2、第三固定電阻R3、可調電阻和鉑電阻，串聯(lián)的第一固定電阻R1、第二固定電阻R2和可調電阻、串聯(lián)的第三固定電阻R3和鉑電阻、與所述交流激勵源之間并聯(lián)，所述第一固定電阻R1和第二固定電阻R2之間的B點接地，所述第三固定電阻R3與所述鉑電阻之間的A點與所述放大單元連接。

優(yōu)選地，所述低通頻帶信號提取系統(tǒng)通過相敏檢波技術提取出交流信號的直流幅度信號。

優(yōu)選地，所述數據傳輸單元為RS485總線。

優(yōu)選地，所述放大單元包括前置放大器和解調放大器。

優(yōu)選地，所述解調放大器反向比例放大電路，其中使用數字電位器作為放大電阻。

優(yōu)選地，所述MCU控制單元為單片機。

優(yōu)選地，所述溫度計在-200—650攝氏度的范圍內進行溫度測量。

本發(fā)明的有益效果是：由于使用了交流電橋及相敏檢波信號技術提取技術，提高了系統(tǒng)的分辨率與抗干擾能力，溫度測量的精度可以得到極大的提高。并且，由于引入程控單元(MCU控制單元)和總線傳輸(信號傳輸、RS485)，可以使傳感器實現(xiàn)數字化集成，總線控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的數字式交流電橋鉑電阻溫度計的結構示意圖。

圖2為相敏檢波電原理圖。

圖3為本發(fā)明的數字式交流電橋鉑電阻溫度計的一個具體實施方式的部分結構示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，其目的僅在于更好地理解本發(fā)明的研究內容而非限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明的數字式交流電橋鉑電阻溫度計，可用于中溫范圍的高精度溫度測量，例如可以在-200—650攝氏度的范圍內進行溫度測量。

如圖1所示，包括：交流激勵源1、電阻電橋2、放大單元3、相敏檢波器4、低通濾波器5、A/D轉換電路6、數據傳輸單元7和MCU控制單元(Microcontroller Unit，微處理單元)8。其中，所述交流激勵源1與所述電阻電橋2并聯(lián)連接構成交流電阻電橋。所述相敏檢波器4、低通濾波器5構成低通頻帶信號提取系統(tǒng)。所述交流電阻電橋通過所述放大單元3與所述低通頻帶信號提取系統(tǒng)連接，所述低通頻帶信號提取系統(tǒng)與所述A/D轉換電路6連接，所述A/D轉換電路6輸出的數字信號通過所述數據傳輸單元7傳輸，所述MCU控制單元8分別與所述放大單元3、所述A/D轉換電路6以及所述數據傳輸單元7連接以實現(xiàn)數字化集成與總線控制。

所述交流激勵源1為正弦激勵源。所述電阻電橋2包括第一固定電阻R1、第二固定電阻R2、第三固定電阻R3、可調電阻和鉑電阻。其中，第一固定電阻R1、第二固定電阻R2和可調電阻串聯(lián)連接，第三固定電阻R3和鉑電阻串聯(lián)連接，并與所述交流激勵源1并聯(lián)，從而構成交流電阻電橋。所述第一固定電阻R1和第二固定電阻R2之間的B點接地，所述第三固定電阻R3與所述鉑電阻之間的A點與所述放大單元連接。通過調節(jié)可調電阻可使橋路達到平衡，即A點對地的電位為零。此時鉑電阻因極小的溫度變化所引起的電阻變化會引起橋路的不平衡，即A點對地的電位發(fā)生變化。該電位變化通過放大單元被信號提取系統(tǒng)所提取。

對于電阻交流測溫電橋(上述交流電阻電橋)，應盡量取大阻值電阻，使橋路中電流盡量的小，以避免電流經過電阻產生熱量影響溫度測量的準確性；同時電阻值又不應過大，致使橋路的輸出阻抗過高，影響信號電壓的調制、放大(調制、放大電路的輸入阻抗在MΩ量級)。數字電路的標準電源電壓為3.3V或5V，因此交流激勵的電壓幅度在6～10V(峰峰值)，同時市面上常用的鉑電阻多為PT100(阻值為100Ω)和PT1000(阻值為1KΩ)兩種，因此橋路中電阻值應選1KΩ為宜。這樣橋路電流在3～5mA，所引起的電阻發(fā)熱量較??；橋路的輸出電阻在2K左右，與調制電路的MΩ量級的輸入阻抗相比相差1000倍以上，符合信號調制、放大要求，同時器件的市場普及率也較高，可以較好的控制成本。如果需要得到更好的測溫效果，同時不需過多的考慮硬件成本，可定制PT10KΩ(阻值為10KΩ)的鉑電阻，橋路電阻(即R1，R2，R3)也選10KΩ電阻，即10KΩ電阻為本橋路的最佳測溫效果阻值。

所述放大單元包括前置放大器31和解調放大器32。前置放大器31用于對交流電橋的A點輸出的電橋的不平衡電壓信號進行放大。解調放大器32用于對經前置放大器31放大后的信號進行解調放大，即將橋路不平衡的電壓信號的直流分量去除，并將交流信號按照一定的倍數放大。

由于交流激勵源1形成交流電橋，因此傳感器輸出的電橋不平衡信號是以交流激勵為載波的幅度值。對于有載波的信號系統(tǒng)，噪聲與帶寬成正比，故測量系統(tǒng)的信噪比可用限制帶寬的方法來改善。采用相敏檢波技術能夠穩(wěn)定地使放大器保持0.1Hz甚至更低的通頻帶。相敏檢波能夠將已調制波在幅值和極性上完全恢復調制信號，它根據調制波和載波的相位差來判別調制信號極性。其工作原理如圖2所示。

圖2中，設參考信號Ur直接從信號源引出，表達式為：

U_γ＝U_mSinω₀t (1)

上述公式(1)中，Ur表示參考信號，Um表示信號源。ω₀表示信號載波頻率。

放大輸入端除電橋不平衡的電壓信號外，還存在各種頻率的干擾，為簡化分析，假定只存在頻率為ω₁的干擾信號，則有：

C＝E_sSi(nω₀t+φ₁)+E_nSi(nω₁t+φ₂) (2)

上述公式(2)中，C表示干擾信號，Es表示信號的強度，En表示干擾的強度，φ₁表示信號的相位，φ₂表示干擾的相位。

乘法器的輸出為：

上述公式(3)中，e表示檢波乘法器，K表示放大系數。

通過低通濾波后輸出Uout為：

上式(1)中反映了電橋失衡的程度，U_γ取恒定值，調節(jié)移相器可使Uout最大從而獲得較高的檢測靈敏度，只有當Es→0，上式(1)才為零。上式(2)代表干擾信號，因為低通濾波器的輸出隨頻率升高而衰減，以RC低通濾波器為例，濾波器中心頻率f＝1/2πRC，它決定了相敏檢波器的帶寬Δω＝2(ω₁－ω₀)＝2/RC。若選時間常數RC＝10s，f＝0.016Hz，則只有當干擾信號的頻率在781.234Hz～781.266Hz之間時，其與f的差頻才能通過濾波器，相當于一個品質因素大于10⁴的窄帶濾波器，因而能夠較好地抑制噪聲和干擾。而頻率為781Hz的電橋失衡信號卻能以很高的增益(Ku>3×10⁴)得以檢測。

因此，采用相敏檢波技術，橋路的不平衡電壓經前置放大器31、調制放大器32后經過相敏檢波器4、低通濾波器5能夠以很高的增益提取出交流信號的直流幅度信號。

上述提取出來的直流電壓信號再經過數字A/D轉換器6后獲得對應的數字信號，該數字信號通過RS485總線傳輸。解調放大器32、A/D轉換器6、數據傳輸單元7(RS485總線)均通過MCU控制單元(Microcontroller Unit，微處理單元)8程控與控制，由此實現(xiàn)傳感器的數字化集成與總線控制。

圖3為本發(fā)明的數字式交流電橋鉑電阻溫度計的一個具體實施方式的部分結構示意圖。

為減少硬件開支，本發(fā)明采用市場普及率較高的51系列單片機作為MCU控制單元8。解調放大器32使用反向比例放大電路，使用數字電位器做放大電阻，單片機8與數字電位器連接，通過I/O口控制調整數字電位器的阻值，達到程控控制解調放大單元32的目的。同時，單片機8通過I/O口控制AD芯片(A/D轉換器6)，采集電壓信號，采集到的電壓信號再通過RS485總線傳輸給用戶或上位機。單片機8外接DS18B20芯片作為溫度測量粗測傳感器，同時DS18B20芯片自帶的E²PROM可存儲各項參數。

本發(fā)明中，由于使用了交流電橋及相敏檢波信號技術提取技術，提高了系統(tǒng)的分辨率與抗干擾能力，溫度測量的精度可以得到極大的提高。并且，由于引入程控單元(MCU控制單元)和總線傳輸(數字信號傳輸、RS485)，可以使傳感器實現(xiàn)數字化集成，總線控制。

顯然，本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權利要求書范圍內。