K型热电偶传感器测量电路设计报告

1、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：徐志涛学号：学 1302231总目录第一部分：任务书第二部分：课程设计报告第三部分：设计电路图第一部分任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

2、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锲铭一锲硅，其精度等级为 0.75 级时，温度为 0-1200C,其测量温度误差为 i0.75%o采用恰当的线性化处理后，可将精度提高到如.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

3、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 0600c 对应的输出电压为 06V;另一路是 6001200c 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 IC 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：01200C;3、使用环境温度范围：085C；4、输出电压：0600c 为 06V;5、测温误差：&土 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

4、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6 .K 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 O4 .总结撰写课程设计报告。（1天）七、课程设计报告内容：总

5、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

6、)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

7、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）1课程设计的目的（4）1课程设计的任务（4）1课程设计的技术指标（4）3 电路设计总方案及原理框图（5）1电路设计原理框图（5）1电路设计方案设计（5）4 各部分电路设计（10）1反相放大器（10）1反相加法器（10）1零点补偿及放大电路（11）1非线性校正电路（

8、11）1总电路图（13）5 电路的安装与调试（14）af5-14ce-4aee-a22e-3a003099280a-Numbered_d900e788-5cdb-47d1-8bba-518ccf3618d5-Numbered_b9cd7410-3b89 电路的安装与调试（14）af5-14ce-4aee-a22e-3a003099280a-Numbered_d900e788-5cdb-47d1-8bba-518ccf3618d5-Numbered_b9cd7410-3b89 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）9 参考文

9、献（18）1 课题简介基于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锲铭一锲硅，其精度等级为 0.75 级时，温度为 0-1200C,其测量温度误差为 i0.75%o采用恰当的线性化处理后，可将精度提高到如.1%0.2%。具有零点补偿功能。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 0c 到 1300c 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。锲铭-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

10、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-2001300C。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。K型热电偶特点检出（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

11、的热电偶从-50+1600C 均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269C（如金铁锲铭），最高可达+2800C（如鸨-铢）。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。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13001800C,要求精度又比较高时，一般选用 B 型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用鸨供热电偶，高于 1800c 一般选用鸨铢热电偶；使用温度在10001300c 要求精度又比较高可用 S 型热电偶和 N 型热电偶；在 1000c 以下一般用 K 型热电偶和 N 型热电偶，低于 400c 一般

12、用 E 型热电偶；250c 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。K型热电偶分度表温度单位：C 电压单位：（mV）参考温度点：0c（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-

13、1.8894-2.2428-2.5866-2.9201-3.2427-3.3996-3.5536温度010203040506070809095100000.39690.79811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.09621004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.13852008.13858.53868.93999.34279.747210.153410.561310.970911.382111.794712.001512.2086300

14、12.208612.623613.039613.456613.874514.293114.712615.132715.553615.97516.18616.397140016.397116.819817.243117.666918.091118.515818.940919.366319.792120.218120.431220.644350020.644321.070621.497121.923622.3522.776423.202723.628824.054724.480224.692924.905560024.905525.330325.754726.178626.60227.024927

15、.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

16、.241.642.042.442.843.243.543.944.344.744.945.1756649531403263112951777593396293187110045.145.445.846.246.646.947.347.748.148.448.648.8187966733487227955668368054726556382120048.849.249.549.950.250.651.051.351.752.052.252.4382024651263858439003552085602354103130052.410352.758853.105853.451253.795254.

17、137754.478854.8186ITS-90 国际温度标准(JISC1602-1995,ASTME230-1996,IEC584-1-1995)2 设计的目的及任务课程设计的目的掌握传感器选择的一般设计方法掌握模拟 IC 器件的应用掌握测量电路的设计方法培养综合应用所学知识来指导实践的能力课程设计的任务设计基于 K 型热电偶传感器的测量电路课程设计的技术指标设计、组装、调试温度测量范围：01200c使用环境温度范围：085c输出电压：0600c 为 06V测温误差：&0.5%具有温度补偿功能具有非线性补偿功能3 电路设计总方案及原理框图电路设计原理框图本课题中测量电路组成框图如下所

18、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 0600c 对应的输出电压为 06V;另一路是 6001200c对应的输出电压为 612V。电路设计方案设计方案一零点补偿、放大和非线性校正电路见图 3-1o 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 和一 IN 即可。由

19、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。止匕外，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=a+a1t+a2t2+antn(3-1)式中，a。为零点输出；a1为灵敏度；a2,决，an为非线性项系数。a。,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:0600cVo=(-ii.4i.009534Va-

20、5.506i0-6Va2)(3-2)6001200cVo=(745.20.772808V,i3.i351。上乂2)(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：mVzV=UVy(3-4)1VxJ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=10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

21、=10V,因此式(3-4)为：从而实现了平方运算。温度在 0600C 范围时，由 Ai和 A2实现式(3-2)的运算：由 Ai和 A2完成一次系数 1.009534 的运算，其中 Ai是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。Ai的输出为 Voi:-R2V0i-VaRiRpi调整多圈电位器可使 Voi=-i.009534VaoA2的一条支路 R6与 R3组成一个系数为(i)的支路。R6i5kfl/二-二-iR3i5k11二一，八”,、.一它将 Voi转换成 Vo=i.009534VaoR6与 R4组成 Va的二次系数支路Va2_6Vo=-R6Va=-5ko乂=-5.55xi0-Va2所以V；

22、10000mV(3-5)i5kI.1i4k,二一RpiVaVaR4270k11i0000mVR6与 R5组成常系数一 ii.4 的偏置电路，具输出为：R6i5kJ3Vo=xi0V=-Mi0Mi0mV=ii所以R5i3.2M,1由叠加定理可得:Vo=V0V0Vo=(-111.009534Va-5.5510%；)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 6001200c 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。0600c 和 600-1200C 的输出电

23、压 V。分别为 06V 和 612V,灵敏度为 10mV/C。该电压可通过转换开关输入到 A/D转换器和进行数字显示。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 和一 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。止匕外，AD595 还具有热电偶断偶报警功能。热电偶断线时，由 12

24、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；ai为灵敏度；a2,a3,，an为非线性项系数。a0,ai,灰灰, ,决，决，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：0600c 乂乂=(-11.41.00953 牝牝-5.50610V；)(3-7)6001200cVo=(745.20.772808Va13.135102)(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

25、-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：V7Vo=忧忧Vy(3-9)1VxJ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=10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,故故 Vx=10V,因此式(3-9)为：Vo=幺Va=V(3-10)10V10000mV从而实现了平方运算。温度在 0600c 范围时，由 A1和 A2实现式(3-7)的运算：由 A1和 A

26、2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：-Va调整多圈电位器 RPI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。R610K11一一=-=-1R310K1一小一,、一一它将 Vo1转换成 Vo=1.009534VaoR6与 R4组成 Va的二次系数支路一叱Va2180k1110000mV62-5.5510Va2R6与 R5组成常系数一 11.4 的偏置电路，具输出为：&10k：；Vo=-10V=10V=-11R59.1M-J由叠加定理可得：62Vo-VoVoVo=

27、（-111.009534Va-5.5510、a）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 6001200c 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。0600C 和 6001200c 的输出电压 V。分别为 06V 和 612V,灵敏度为 10mV/C。该电压可通过转换开关输入到 A/D转换器和进行数字显示。A4R13旦4产R15VT2SA1015VDLEDIC216不1宣IXIYIZ15T0VX13T4VYVZC+10V+2VVOPGNDISGND-

28、VAD538ADRP14+VAD58-15VR1R2R6OH+VCC42KIC3AR3AD648*i14VCCR5R8J+VCC4AiR1023TIC4AX-AD648-VCCA2H+vc CR111AD6483H-VCCIC5A13.R12H+VCCIC6ACN3Vo6-12VAD648(600-1200L|-VCC图 3-2 方案二原理图A34 各部分电路设计衡电阻 R3=Ri/R2。反相加法器4.1反相放大器R2UiUo图 4-1反相放大器如图 4-1 所示，开环增益KfUoR2UiRiRi其中平U-ii图 4-2零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

29、芯片 AD595 组成。热电偶或通过补偿导线插入 CN 插座的+IN 和一 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。4爰皿5+411_2KEitEEp9A%图 4-3 零点补偿及放大电路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=ao+ait+a2t2+antn(4-1)式中，ao为零点输出；ai为灵敏度；a2,决，an为非线性项系数。ao,ai,%,决，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:反相加法器如图 4-2 所示，U。RfRfUilUi2RiR2平衡电阻 R=R1/R2/Rf