Pt100铂电阻与惠斯通电桥

目标

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使用Pt100铂电阻与惠斯通电桥，对温度进行采样，输出相应的电压。实现部分使用Multisim进行电路仿真。

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原理

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一、Pt100铂电阻

Pt100 温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。其分度表如下（截取0~59度）：

温度(°C)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	100.00	100.39	100.78	101.17	101.56	101.95	102.34	102.73	103.12	103.51
10	103.90	104.29	104.68	105.07	105.46	105.85	106.24	106.63	107.02	107.40
20	107.79	108.18	108.57	108.96	109.35	109.73	110.12	110.51	110.90	111.29
30	111.67	112.06	112.45	112.83	113.22	113.61	114.00	114.38	114.77	115.15
40	115.54	115.93	116.31	116.70	117.08	117.47	117.86	118.24	118.63	119.01
50	119.40	119.78	120.17	120.55	120.94	121.32	121.71	122.09	122.47	122.86

二、惠斯通电桥

惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的电路。通用的惠斯通电桥电阻R1，R2，R3，R4 为电桥的四个臂，在电桥两壁之间引出电流用以检查它所在的支路有无电流。

惠斯通电桥
由图分析可知，BD两点的电压差即为惠斯通电桥的输出。D点的电压为 UD = Us*R3/(R2+R3) B点的电压为 UB = Us*Rx/(R1+Rx) 所以 UBD = UB - UD 即为电桥的输出。

由于温度的改变使得Rx变为Rx+△R，则B点的电压变化为

UB = Us*(Rx+△R)/(R1+Rx+△R) 因此电桥的输出电压会跟随Rx的阻值改变而改变。

当温度为0℃时，Pt100温度传感器的电阻为100Ω，无电流通过，电桥达到平衡。随着温度的上升，Pt100 温度传感器的电阻Rx由电桥平衡时的100Ω变为Rx+△R，这时检流计通过的电流Ig也将变化，再根据Ig与Rx+△R的关系就可测出Rx+△R，然后由Rx+△R与温度的关系计算出环境温度。

三、三线制Pt100温度传感器与惠斯通电桥的连接

PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.38510／℃。由于其电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差，原理如下：
PT100引出的三根导线截面积和长度均相同（即rl=r2=r3)，测量铂电 阻的电路一般是不平衡电桥，Pt100作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根（r1）接到电桥的电源端，其余两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

惠斯通电桥三线接法

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实现

使用Multisim进行仿真实验，供电电压为5V，电路图如下：

R3为Pt100铂电阻，可以使用滑动变阻器代替，但我这里使用了一个定值电阻。
当电桥处于平衡时，输出为：

由于电桥输出没有接负载，所以可以看到电桥平衡时是完美的0V。
当温度升高到55度，即R3的电阻变为121.32Ω时，电桥的输出为：

可以看到，其输出电压较小。
已5度为步长，输出电压与温度的关系为：

温度（°C）	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
电阻（Ω）	100.00	101.95	103.90	105.85	107.79	109.73	111.67	113.61	115.54	117.47	119.40	121.32
输出电压（mV）	0	8.044	16.059	24.046	31.964	39.854	47.717	55.552	63.32	71.061	78.776	86.424

使用EXCEL作图，如下：

可以看到，温度与输出电压基本上是线性相关。

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总结

惠斯通电桥灵敏度很高，能够将微小的电阻变化值检测出来。Pt100铂电阻的阻值变化与温度基本呈线性相关，可近似做线性处理。当然，这只能运用在对温度检测精度不是非常高的场景。
第一次写博客，排版与内容都有所不足，希望以后能够有所改进。

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