K型热电偶 传感器与测控电路实习.doc

传感器与测控电路课程实习扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题 目： 基于K型热电偶传感器测量电路设计 课 程： 传感器与测控电路课程实习 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控0802 姓 名： 罗聪 学 号： 081302215 指导老师： 蒋步军 纪晓华 杨鹏 完成日期： 2011年3月4日 总 目 录第一部分：任务书 第二部分：课程设计报告第三部分：设计电路图第四部分：附录 第 一 部 分任务书传感器与测控电路课程实习课程设计任务书课题：基于K型热电偶传感器测量电路设计一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的传感器原理及应用，测控电路，模拟电子技术基础实验与课程设计，电子技术实验等书的有关章节。一、基于K型热电偶传感器测量电路设计简介K型热电偶的电极材料是镍铬镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为01200，其测量温度误差为0.75%。采用恰当的线性化处理后，可将精度提高到0.1%0.2%。具有零点补偿功能。二、基于K型热电偶传感器测量电路设计的工作原理本课题中测量电路组成框图如下所示：测量电路由K型热电偶传感器，零点补偿和放大电路，乘法运算电路，反相放大器1，反相加法器1和反相加法器2，反相放大器2等主电路组成；电路能够实现零点补偿和非线性校正功能。输出分为两路：一路是0600对应的输出电压为06V；另一路是6001200对应的输出电压为612V。三、设计目的1、掌握传感器选择的一般设计方法；2、掌握模拟器件的应用；3、掌握测量电路的设计方法；4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力。四、设计要求及技术指标1、设计、组装、调试； 2、温度测量范围：01200；3、使用环境温度范围：085； 4、输出电压：0600为06V； 5、测温误差：0.5；6、具有温度补偿功能；7、具有非线性补偿功能。 五、设计所用仪器及器件1直流稳压电源2双踪示波器3万用表4运放AD648，AD595，AD5385电阻、电容若干6K型热电偶传感器7万能电路板8电烙铁等六、日程安排1布置任务、查阅资料，方案设计；（2天）根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出电路图。2上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试； （2天）要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。3电路的装配及调试；（3天）在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。4总结撰写课程设计报告。 （1天）七、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1课程设计的目和设计的任务2课程设计的要求及技术指标3总方案的确定并画出原理框图。4各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性(结合设计图写) 5总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。6电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。7实验结果分析，改进意见及收获。8体会。八、电子电路设计的一般方法：1仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。（1）设计总体方案。（2）设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案（3）计算电路（元件）参数。（4）绘制总体电路初稿（5）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。（6）绘制总体电路。2明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在EDB（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。3掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。4、熟练使用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5、独立撰写课程设计报告。第 二 部 分课程设计报告目 录1课题简介（1）1.1基于K型热电偶传感器测量电路设计简介（1）1.2 K型热电偶概述 （1）1.3 K型热电偶特点 （1）1.4 K型热电偶分度表 （2）2设计的目的及任务（4）2.1 课程设计的目的（4）2.2 课程设计的任务（4）2.3 课程设计的技术指标（4）3电路设计总方案及原理框图（5） 3.1 电路设计原理框图（5） 3.2 电路设计方案设计（5）4 各部分电路设计（10） 4.1 反相放大器（10） 4.2 反相加法器（10） 4.3 零点补偿及放大电路（11） 4.4非线性校正电路（11） 4.5 总电路图（13）5电路的安装与调试（14） 5.1 电路的安装与调试 （14） 5.2 调试中遇到的问题及解决的方法 （14）6电路的实验结果（15）7 实验总结（16）8 仪器仪表明细清单（17）参考文献（18）传感器与测控电路课程实习1.课题简介1.1 基于K型热电偶传感器测量电路设计简介K型热电偶的电极材料是镍铬镍硅，其精度等级为0.75级时，温度为01200，其测量温度误差为0.75%。采用恰当的线性化处理后，可将精度提高到0.1%0.2%。具有零点补偿功能。1.2 K型热电偶概述K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。镍铬-偶(K型热电偶)是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.24.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-2001300。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。1.3 K型热电偶特点1.3.1检出(测)元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。必须配二次仪表，其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。1.3.2 根据温度测量范围及精度，选用相应分度号的热电偶、使用温度在13001800，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800一般选用钨铼热电偶；使用温度在10001300要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400一般用E型热电偶；250下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。1.4 K型热电偶分度表温度单位： 电压单位：（mV) 参考温度点：0(冰点)温度0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-95-100-200-5.8914-6.0346-6.1584-6.2618-6.3438-6.4036-6.4411-6.4577-100-3.5536-3.8523-4.1382-4.4106-4.669-4.9127-5.1412-5.354-5.5503-5.7297-5.8128-5.891400-0.3919-0.7775-1.1561-1.5269-1.8894-2.2428-2.5866-2.9201-3.2427-3.3996-3.5536温度010203040506070809095100000.39690.79811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.09621004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.13852008.13858.53868.93999.34279.747210.153410.561310.970911.382111.794712.001512.208630012.208612.623613.039613.456613.874514.293114.712615.132715.553615.97516.18616.397140016.397116.819817.243117.666918.091118.515818.940919.366319.792120.218120.431220.644350020.644321.070621.497121.923622.3522.776423.202723.628824.054724.480224.692924.905560024.905525.330325.754726.178626.60227.024927.447127.868628.289528.709628.919429.12970029.12929.547629.965330.382230.798331.213531.627732.04132.453432.864933.070333.275480033.275433.684934.093434.50134.907535.313135.717736.121236.523836.925437.125837.325990037.325937.725538.12438.521538.91839.313539.70840.101540.493940.885341.080641.2756100041.275641.664942.053142.440342.826343.211243.595143.977744.359344.739644.929345.1187110045.118745.496645.873346.248746.622746.995547.366847.736848.105448.472648.655648.8382120048.838249.202449.565149.926350.285850.643951.000351.355251.708552.060252.235452.4103130052.410352.758853.105853.451253.795254.137754.478854.8186ITS-90国际温度标准(JIS C 1602-1995,ASTM E230-1996,IEC 584-1-1995)2.设计的目的及任务2.1 课程设计的目的2.1.1 掌握传感器选择的一般设计方法2.1.2 掌握模拟IC器件的应用2.1.3 掌握测量电路的设计方法2.1.4 培养综合应用所学知识来指导实践的能力2.2 课程设计的任务 设计基于K型热电偶传感器的测量电路2.3 课程设计的技术指标2.3.1 设计、组装、调试 2.3.2 温度测量范围：012002.3.3 使用环境温度范围：085 2.3.4 输出电压：0600为06V2.3.5 测温误差：0.52.3.6 具有温度补偿功能2.3.7 具有非线性补偿功能3电路设计总方案及原理框图3.1 电路设计原理框图本课题中测量电路组成框图如下所示：测量电路由K型热电偶传感器，零点补偿和放大电路，乘法运算电路，反相放大器1，反相加法器1和反相加法器2，反相放大器2等主电路组成；电路能够实现零点补偿和非线性校正功能。输出分为两路：一路是0600对应的输出电压为06V；另一路是6001200对应的输出电压为612V。3.2 电路设计方案设计3.2.1方案一零点补偿、放大和非线性校正电路见图3-1。由图可见，它由热电偶的零点补偿、放大和非线性校正两部分组成。(1)零点补偿及放大电路 该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电偶专用集成芯片AD595组成。热电偶或通过补偿导线插入CN插座的+IN和IN即可。由AD595完成零点补偿和放大任务，其输出与输入的关系为：Vo=249.952Vi式中，Vi是热电偶的输出热电动势。此外，AD595还具有热电偶断偶报警功能。热电偶断线时，由12脚输出报警信号，晶体管VT导通，发光二极管点燃。(2)非线性校正电路 热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：Vi=a0+a1t+a2t2+antn (3-1)式中，a0为零点输出；a1为灵敏度；a2，a3，an为非线性项系数。a0，a1，a2，a3，an可由最小二乘法或计算机程序求出。K型热电偶的高阶多项式(3-1)，经计算可用下式表示：0600 (3-2)6001200 (3-3)非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式(3-2)和式(3-3)。它可由平方器和加法器来完成。由图3-1可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算： (3-4)式中，m=0.25，可通过不同接线取得不同的m值。AD538的B(3脚)和C(12脚)相连，则m=1。由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式(3-4)为： (3-5)从而实现了平方运算。温度在0600范围时，由A1和A2实现式(3-2)的运算：由A1和A2完成一次系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。A1的输出为Vo1：调整多圈电位器RPl可使Vo1=1.009534Va。A2的一条支路R6与R3组成一个系数为(1)的支路。它将Vo1转换成Vo=1.009534Va。R6与R4组成Va的二次系数支路R6与R5组成常系数11.4的偏置电路，其输出为：由叠加定理可得：上式与式(3-2)大体相同。若R4和R5用多圈电位器可调整到与式(3-2)完全相同。温度在6001200范围内用式(3-3)来线性校正。该式的运算由A3和A4完成，其中A4是放大倍数为1的反相放大器。其分析方法与式(3-2)相同。0600和6001200的输出电压Vo分别为06V和612V，灵敏度为10mV。该电压可通过转换开关输入到AD转换器和进行数字显示。A3 A4A2A11图3-1 方案一原理图3.2.1方案二零点补偿、放大和非线性校正电路见图3-2。由图可见，它由热电偶的零点补偿、放大和非线性校正两部分组成。(1)零点补偿及放大电路 该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电偶专用集成芯片AD595组成。热电偶或通过补偿导线插入CN插座的+IN和IN即可。由AD595完成零点补偿和放大任务，其输出与输入的关系为：Vo=249.952Vi式中，Vi是热电偶的输出热电动势。此外，AD595还具有热电偶断偶报警功能。热电偶断线时，由12脚输出报警信号，晶体管VT导通，发光二极管点燃。(2)非线性校正电路 热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：Vi=a0+a1t+a2t2+antn (3-6)式中，a0为零点输出；a1为灵敏度；a2，a3，an为非线性项系数。a0，a1，a2，a3，an可由最小二乘法或计算机程序求出。K型热电偶的高阶多项式(3-1)，经计算可用下式表示：0600 (3-7)6001200 (3-8)非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式(3-7)和式(3-8)。它可由平方器和加法器来完成。由图3-2可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算： (3-9)式中，m=0.25，可通过不同接线取得不同的m值。AD538的B(3脚)和C(12脚)相连，则m=1。由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式(3-9)为： (3-10)从而实现了平方运算。温度在0600范围时，由A1和A2实现式(3-7)的运算：由A1和A2完成一次系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。A1的输出为Vo1：调整多圈电位器RPl可使Vo1=1.009534Va。A2的一条支路R6与R3组成一个系数为(1)的支路。它将Vo1转换成Vo=1.009534Va。R6与R4组成Va的二次系数支路R6与R5组成常系数11.4的偏置电路，其输出为：由叠加定理可得：上式与式(3-7)大体相同。若R4和R5用多圈电位器可调整到与式(3-7)完全相同。温度在6001200范围内用式(3-8)来线性校正。该式的运算由A3和A4完成，其中A4是放大倍数为1的反相放大器。其分析方法与式(3-7)相同。0600和6001200的输出电压Vo分别为06V和612V，灵敏度为10mV。该电压可通过转换开关输入到AD转换器和进行数字显示。A3 A4A2A11图3-2 方案二原理图4 各部分电路设计4.1反相放大器uoR3uiR1R2- + + N1图4-1反相放大器如图4-1所示，开环增益，即；其中平衡电阻R3= R1 / R2 。4.2反相加法器图4-2反相加法器如图4-2所示，；平衡电阻R=R1/R2/Rf。4.3零点补偿及放大电路该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电偶专用集成芯片AD595组成。热电偶或通过补偿导线插入CN插座的+IN和IN即可。由AD595完成零点补偿和放大任务，其输出与输入的关系为：Vo=249.952Vi式中，Vi是热电偶的输出热电动势。此外，AD595还具有热电偶断偶报警功能。热电偶断线时，由12脚输出报警信号，晶体管VT导通，发光二极管点燃。如图4-3所示。图4-3零点补偿及放大电路4.4非线性校正电路热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：Vi=a0+a1t+a2t2+antn (4-1)式中，a0为零点输出；a1为灵敏度；a2，a3，an为非线性项系数。a0，a1，a2，a3，an可由最小二乘法或计算机程序求出。K型热电偶的高阶多项式(4-1)，经计算可用下式表示：0600 (4-2)6001200 (4-3)非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式(4-2)和式(4-3)。它可由平方器和加法器来完成。由图4-4可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算： (4-4)式中，m=0.25，可通过不同接线取得不同的m值。AD538的B(3脚)和C(12脚)相连，则m=1。由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式(4-4)为： (4-5)从而实现了平方运算。温度在0600范围时，由A1和A2实现式(4-2)的运算：由A1和A2完成一次系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。A1的输出为Vo1：调整多圈电位器RPl可使Vo1=1.009534Va。A2的一条支路R6与R3组成一个系数为(1)的支路。它将Vo1转换成Vo=1.009534Va。R6与R4组成Va的二次系数支路R6与R5组成常系数11.4的偏置电路，其输出为：由叠加定理可得：图4-4 非线性校正电路4.5 总电路图图4-5 总电路图5电路的安装与调试5.1 电路的安装与调试 5.1.1 安装焊接电路1. 将AD595，AD538，AD648底座插入焊接板，注意布局；2. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；3. 把二极管和三极管按原理图放入适当的位置；4. 参照原理图焊接电路，注意共地端和各正负电源。 5.1.2 调试电路 1. 将K型热电偶接入电路，测量端和温度计置于沸腾的水中； 2. 调节电位器，使此时的输出电压为1V； 3. 记录水温从100降到室温过程中，输出的电压值，每隔1记录一个数据。5.2 调试中遇到的问题及解决的方法 1. 准确的记录每个温度对应的电压值，必须保证温度计显示值和热电偶的 温度相同，即温度计要紧靠热电偶测量端； 2. 在记录数据过程中不能调节电位器； 3. 要保证水温自然下降。6电路的实验结果实验结果温度（）10098969492908886电压（V）0.99900.98060.96370.94150.92200.90890.89090.8722温度（）8482807876747270电压（V）0.85500.83800.81750.79400.77700.75890.73960.7201温度（）6866646260585654电压（V）0.70130.68050.66380.64970.63320.61600.58300.5601温度（）5250484644424038电压（V）0.54350.52500.49500.47550.45000.43010.42700.3967温度（）3634323028262422电压（V）0.37680.35800.33740.31670.29900.27810.25900.2420温度（）2018161413121110电压（V）0.22350.20030.17980.16210.15070.14160.13460.12207 实验总结为期两个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出实验结果的那种喜悦。在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：数据误差太大，甚至错误的结果这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整，讲解知识点，实在令我感动。虽然最终实物做出来了，但这并不是我一个人做出来的。通过这次课程设计，我明白了一个团队精神的重要性，因为从头到尾，都是大家集体出主意，来解决中间出现的各种问题。从原理图的最终敲定，到数据的测量，到元器件的选择与购买，到最后实物的焊接与调试，这都是大家分工合作的结果，正是因为大家配合得默契，每项工作都完成得很棒，衔接得很好，才使我们很快的完成了任务。尽管现在只是初步学会了K型热电偶传感器测量电路设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，不仅因为它发生在特别的时间，更重要的是我又多掌握了一门新的技术，收获总是令人快乐，不是吗？8 仪器仪表明细清单设计所用仪器及器件1直流稳压电源 1台2数字万用表 1台3万 用 表 1只4. 运 放AD595 1片 AD538 1片 AD648 1片 5. 电位器1K 1只6. LED 灯 1只7. 三极管2SA1015 1只8. 二极管IN4007 1只9. 电 阻 1K 1只 2.2K 1只 20K 1只 9.1K 1只 10K 3只 180K 1只 9.1M 1只10.K型热电偶 1只11. 焊 接 板 1块12剪刀 1把13仪器探头线 2根14电 源 线 4根参考文献1 童诗白主编.模拟电子技术基础(第三版)高教出版社.20012 杨素行主编.模拟电子线路基础简明教程杨素行(第二版)高教出版社.19983 王成华主编.电子线路基础教程.科学出版社.20004 李万臣主编.模拟电子技术基础实验与课程设计(第一版)哈尔滨工程大学出版社20015 孙梅生主编.高教出版社.19896 电子电路百科全书（1.2.3.4.卷）.科学出版社 20第 三 部 分设计电路图焊接电路图第 四 部 分附录参观感想扬州奥力威,国内汽车传感器市场新霸主根据国家工信部日前发布的数据，扬州奥力威公司汽车传感器年产量400万件，在国内油量传感器市场占有率达60%左右，稳居国内行业老大位置。近日该公司更是传来喜讯，奥力威和西安交大、厦门大学合作的面向传感网应用的MEMS系列传感器的开发与产业化项目获得了2010年江苏省成果转化资金项目，一旦试制成功，将一举打破国际大公司在该技术上的垄断格局。新丁成长秘诀：精益求精公司总经理腾飞告诉记者，扬州奥力威传感器有限公司是扬州市邗江宏庆旅游用品经营部、香港迅速汽车公司、香港柏邦国际有限公司共同投资组建的合资企业，成立于1993年，于2004年改制成为一家民营企业。目前公司产品分2大类，一个是电子事业部，一个是塑料事业部。电子事业部以传感器为主，其中接触式油位传感器市场占有率达60%左右，属于单打业的冠军。其实接触式油位传感器的产业化应用至今已超过十年，但在2002年，在国内还属于比较先进的技术，奥力威从新丁起步，做到如今的市场霸主地位，不是简单的比拼价格就能做到的。2002年先是从美国引进设备，从批量生产、市场的培育、产品认可，公司就花了2年时间，扎实的做了市场准备工作，该产品路试超过3万公里，高温地区、严寒地区都前往进行了大量实验，国家对传感器要求寿命是干膜30万次，湿膜100万次，而奥力威产品湿膜可达500万次，远远超过国家标准，凭借着过硬的质量，国内众多汽车制造厂家开始关注奥力威，从一家新丁公司慢慢走出了自己的品牌之路。“产品线特点决定了我们不可能做成汽车行业巨无霸，但我们想把公司建设规范、持续，这就是我们的心态，也就要求我们每年在新产品、新工艺、新技术上做足文章，精益求精！”腾飞谦虚的表示。新市场开发更需要新技术光靠传统产品显然不能包打天下，传统产品市场竞争越发激烈，利润也越发稀薄，只有不断开辟新市场。近日该公司喜讯传来，奥力威和西安交大、厦门大学合作的面向传感网应用的MEMS系列传感器的开发与产业化项目获得了2010年江苏省成果转化资金项目。该项目是面