K型热电偶传感器课程设计报告(共25页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上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： 陈淏 学 号： 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（3）2.1 课程设计的目的（3）2.2 课程设计的任务（3）2.3 课程设计的技术指标（3）3电路设计总方案及原理框图（4） 3.1 电路设计原理框图（4） 3.2 电路设计方案设计（4）4 各部分电路设计（9） 4.1 反相放大器（9） 4.2 反相加法器（9） 4.3 零点补偿及放大电路（10） 4.4非线性校正电路（10） 4.5 总电路图（12）5电路的安装与调试（13） 5.1 电路的安装与调试 （13） 5.2 调试中遇到的问题及解决的方法 （13） 5.3调试中遇到的问题及解决的方法 （13）6电路的实验结果（14）7 实验总结（15）8 仪器仪表明细清单（16）参考文献（17）专心-专注-专业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)ITS-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.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.Va。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.Va。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.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.Va。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.Va。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.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.Va。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.Va。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 K型热电偶传感器测量电路的安装1. 把将一块14脚的底座插入面包板，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. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。4. 注意三极管的各管脚的接线5. 注意二极管极性，不能焊错6. 线要尽量贴住电路板，线要布置工整5.2 K型热电偶传感器测量电路的调试 1. 将测温电路放入100的水中，放置一段时间 2. 插入温度计 观测水的温度是否为100 3. 调节电位器，使得输出电压为1.0000V 4. 停止加温，使水缓慢降温，观测温度计和电压表，是否温度每降1，电压下降0.01左右 5. 电路调试完毕5.3调试中遇到的问题及解决的方法 电路调试中出现在100时，电位器调到最大，电压也还没达到1V的问题，检查电路无误后，我认为是因为实验时用的9.1K的电阻代替9.4K的电阻，使得常数项的电压不够，所以我将9.1K的电阻换成了10K的，问题顺利解决6 电路的实验结果摄氏度/电压/V摄氏度/电压/V摄氏度/电压/V1000.999580.616280.299980.9806560.583270.2874960.9637540.5602260.2781940.9415520.5435250.2672920.922500.525240.259900.9089480.495230.2503880.8909460.4755220.242860.8722440.45210.2334840.855420.4301200.2235820.838400.417190.2089800.8175390.4048180.2003780.794380.3967170.1912760.777370.3861160.1798740.7589360.3768150.1723720.7396350.3675140.1637700.7201340.358130.1507680.7013330.3462660.6805320.3374640.6683310.3256620.65300.3167600.6332290.3078温度/电压/V7 收获与体会经过一周的课程设计的学习，我已经成功的制作出自己的K型热电偶传感器测量电路，内心感到十分的愉悦。刚开始我对这个东西一窍不通，于是我借来了一份K型热电偶传感器测量电路原理图准备抄抄了事，但在电脑验证的时候漏洞百出，我就放弃抄袭别人构思的想法，后来到网上搜索了一下相关内容，顺便到学校图书馆借相关书籍，经过和我的搭档的研究和讨论，最终确定了K型热电偶传感器测量电路原理图。第一天晚上在做电路设计，大概是模电学的很好，很快就全部弄明白了，很快就设计好了接下来，开始了电路焊接阶段。之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，我觉得自己很在行很专业，一定又快又好，但实际焊接起来才觉得难度还是不小的，要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，而且线多焊点多，增加了很大的难度。为了使布置美观、简洁，还真是费了我们不少精力，也观摩了别人的设计才想出来的的。我连夜赶工才把它焊好了，最终电路的视觉效果还比较另人满意的。谁知原本定在第三天的调试，因为器件未到位的原因足足让我们等了一个星期，器件一到很快我们小组就完成了，很开心，模电的知识又再一次加深了印象，通过这次课程设计，我明白了一个好搭档的重要性，因为从头到尾，都是我和我的搭档共同完成，来解决中间出现的各种问题。从原理图的最终确定，到焊接与调试都是我们共同完成的，是因为我们的默契，每项工作都完成得很快很好，才使我们率先完成了任务。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，但课程设计的这段日子还是令我收益匪浅的，还让我明白学过的知识不能扔，这是我们走向职业道路的本钱。 八 仪器仪表明细清单设计所用仪器及器件电路板1只剪刀1只仪器连接线1只电源线1只电烙铁1只焊锡丝1只螺丝刀1只尖嘴钳1只斜嘴钳1只K型热电阻1只元件：AD5951只AD6481只AD5381只LED灯1只三极管2SA10151只二极管IN40071只电位器 1K1只电阻：1只1K1只2.2K1只9.1K1只9.4K1只10K6只12.43K1只20K1只76.2K1只134.3K1只180K1只9.1M1只参考文献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.<<电子技术基础课程设计>>.高教出版社.19896 电子电路百科全书（1.2.3.4.卷）.科学出版社 第 三 部 分设计电路图