傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙 成績(jī) 課程名稱 傳感器課程設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 孫凱 院 （系） 電氣學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 測(cè)控13-2 學(xué)生姓名 吳海旺 學(xué)號(hào) 6 設(shè)計(jì)日期 2016.3.4 課程設(shè)計(jì)題目 熱電偶溫度變送器課程設(shè)計(jì) 一、主要內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)帶冷端補(bǔ)償?shù)臏囟茸兯推?。其中我們用K型熱電偶作為感溫元件，用100Gu作為冷端的自動(dòng)補(bǔ)償電路的元件，使冷端工作在一個(gè)易于計(jì)算的環(huán)境下，用XTR101把傳感器的電壓信號(hào)放大并自動(dòng)地變換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。并通過(guò)對(duì)輸出電壓的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。二、 基本要求（1）設(shè)計(jì)測(cè)量溫度范圍-100500C的熱電偶傳感器。（2）選用合適的熱電偶材料，設(shè)計(jì)測(cè)溫電路，冷端補(bǔ)償電路

2、，解決非線性化等問(wèn)題。（3）有電路圖（protel繪制），選型與有關(guān)計(jì)算，精度分析等。（4）采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的熱電偶進(jìn)行調(diào)試。（5）完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。三、主要參考資料：趙廣林.protel99電路設(shè)計(jì)與制版.北京：電子工業(yè)出版社，2005程德福,王君.傳感器原理及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)） 目錄一、設(shè)計(jì)目的3二、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求3三、課程設(shè)計(jì)的基本原理3 1、熱電偶測(cè)溫原理3 2、變送器原理框圖4四、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容4 1、熱電偶的選擇5 2、設(shè)計(jì)構(gòu)架5 3、具體電路的設(shè)計(jì)75、 課程設(shè)計(jì)的心得與體會(huì)126、 參考文獻(xiàn)137、 附圖 熱電偶測(cè)溫電路1

3、4齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)） 熱電偶溫度變送器設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)的目的 1、掌握熱電偶的結(jié)構(gòu)、工作原理及正確選擇。 2、了解變普通送器的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單應(yīng)用。 3、通過(guò)設(shè)計(jì)增加對(duì)所學(xué)知識(shí)的靈活掌握和綜合應(yīng)用能力。2、 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求 任務(wù)要求： （1）設(shè)計(jì)測(cè)量溫度范圍-100500的熱電偶傳感器 （2）選用合適的熱電偶材料，設(shè)計(jì)測(cè)溫電路，冷端補(bǔ)償電路，解決非線性化等問(wèn)題 （3）有電路圖（PROTEL繪制），選型與有關(guān)計(jì)算，精度分析等 （4）采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的熱電偶進(jìn)行調(diào)試三、課程設(shè)計(jì)的基本原理 1、熱電偶測(cè)溫原理： 下圖為熱電偶測(cè)溫原理圖，熱電偶的熱端與被測(cè)物體接線，溫度為t。 齊魯工業(yè)大學(xué)

4、課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)） 電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)熱電動(dòng)勢(shì)。 熱電偶的冷端放在冰水混合液中，整個(gè)回路的電動(dòng)勢(shì)由右邊的毫伏表讀出，以此讀數(shù)查表即可得熱端被測(cè)物體的溫度。 但測(cè)溫方法有很多缺點(diǎn)，如冷鍛必須為0，電路電動(dòng)勢(shì)為毫伏級(jí)，不易測(cè)量等，故設(shè)計(jì)500。熱電偶溫度變送器。該變送器將對(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償，并將電動(dòng)勢(shì)值放大，其測(cè)溫范圍為-100500 2、變送器原理框圖 四、課程設(shè)計(jì)

5、的主要內(nèi)容 1、熱電偶的選擇 熱電偶是工業(yè)上廣泛使用的溫度傳感器，它最大的優(yōu)勢(shì)就在于溫度測(cè)量范圍極寬，理論上從-270的極低溫度到2800的超高溫度都可以 齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)）測(cè)量，并且實(shí)際應(yīng)用中在600-2000的溫度范圍內(nèi)可以進(jìn)行最精確的溫度測(cè)量。在化工、石油、電力、冶煉等行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中熱電偶發(fā)揮著對(duì)溫度的監(jiān)控作用。熱電偶主要有以下幾種標(biāo)準(zhǔn)化的型號(hào)： （S型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶 （R型熱電偶）鉑銠13-鉑熱電偶 （B型熱電偶）鉑銠30-鉑銠6熱電偶 （K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶 （N型熱電偶）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶 （E型熱電偶）鎳鉻-銅鎳熱電偶 （J型熱電偶）鐵

6、-銅鎳熱電偶 （T型熱電偶）銅-銅鎳熱電偶 本次課程設(shè)計(jì)選用（K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶，此熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=90：10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-2001300。其主要特點(diǎn)： （1）K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。 （2）K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。 2、設(shè)計(jì)構(gòu)架齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙

7、（附頁(yè)） （1）設(shè)計(jì)要求 整套系統(tǒng)要求在-100500范圍對(duì)應(yīng)輸出4mA20mA的電流型溫度變送器。 在實(shí)際的工業(yè)化需求中，往往需要設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，以便與儀表和后續(xù)接口電路兼容。在輸出為模擬信號(hào)時(shí)，有電壓型和電流型兩種變送器。電壓型變送器的輸出為05v，雖然其在信號(hào)處理方面具有優(yōu)勢(shì)，但抗干擾能力較差，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)信號(hào)衰減大，而電流型變送器卻在這方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。因此在工業(yè)實(shí)踐中得以廣泛應(yīng)用。 通常，電流型變送器有輸出020mA和420mA兩種。對(duì)于輸出020mA的變送器，雖然電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡(jiǎn)單。但對(duì)于輸出420mA的變送器，能夠在傳感器線路不通時(shí)，通過(guò)是否能檢測(cè)到正常范圍內(nèi)的電

8、流，判斷電路是否出現(xiàn)故障，因此使用更為普遍。 （2）電路功能 【1】溫度補(bǔ)償 當(dāng)熱電偶測(cè)溫時(shí)，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會(huì)影響最后測(cè)量的電信號(hào)。為了能得到穩(wěn)定的電信號(hào)，以便算出真實(shí)的待測(cè)溫度，需要對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度償。（見(jiàn)圖3） 【2】信號(hào)的放大熱電偶測(cè)溫的原理是基于熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。雖然它集放熱、轉(zhuǎn)換為一體，能直接實(shí)現(xiàn)溫度到電壓的輸出，但輸出幅度很微小。如K型熱電偶的靈敏度為0.04mv/。因此，對(duì)其信號(hào)必須進(jìn)行放大。齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)） 圖3 補(bǔ)償電路 【3】主要器件A、熱電偶作為感溫元件，采集溫度信號(hào)； B、銅電阻作為補(bǔ)償電阻，補(bǔ)償熱電偶的冷端溫度； C、XTR10

9、1為小信號(hào)處理專用芯片，將輸入的微弱信號(hào)放大后便于遠(yuǎn)端傳輸； D、RL負(fù)載電阻，便于電信號(hào)的測(cè)量。 3、具體電路的設(shè)計(jì) (1)XTR101信號(hào)調(diào)理芯片 為了得到穩(wěn)定的4mA20mA的輸出電流，我們選用常用的信號(hào)放大芯片XTR101。 XTR101通用型變送器單片模塊電路，可把傳感器的電壓信號(hào)自動(dòng)地齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)）變換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。內(nèi)含一個(gè)高精度的儀表放大器、一個(gè)電壓/電流變換器和二個(gè)相同的1mA精密恒流源基準(zhǔn)。該電路失調(diào)電壓低，最大為30uV，漂移小，最大為0.75uV/，外接元件可適于遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸變換和熱電偶、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻以及應(yīng)變計(jì)電橋登多種工作狀態(tài)的變送器電路。

10、實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在輸出端外加一個(gè)功率管，使工作時(shí)的熱源外移，以保證其工作穩(wěn)定性。 傳感器的電壓信號(hào)由3、4腳輸入，5、6腳外接電阻Rs可以調(diào)節(jié)輸出滿幅度，1、2、14腳外接電位器組成出示調(diào)零電路，10、11腳分別輸出兩個(gè)1mA恒流，可以用于傳感器供電，8腳接電源正端（也且是環(huán)流注入端），7腳通過(guò)負(fù)載電阻RL接電源負(fù)極（也是環(huán)流信號(hào)輸出端），12、8、9可外接功率管。 XTR101兩線制變送器的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力很強(qiáng)，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的壓降、電機(jī)噪音、繼電器、電力拖動(dòng)裝置、電器開(kāi)關(guān)、電流互感器和工作設(shè)備電源的頻繁切換啟動(dòng)均無(wú)影響。它的工作溫度范圍為-40至80。 XTR101芯片電路圖如圖4所示，R1=

11、1k，R2=52.6，R3=R4=1.25k，Rs為調(diào)增益的電阻 要點(diǎn)分析 【1】增益調(diào)節(jié) Rs為增益調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)Rs可使輸入電壓Ein在從最小值變到最大值時(shí)使輸出電流Io從4mA變到20mA。即I=16mA的輸出電流。需要注意的是：為使Io不超過(guò)20mA，當(dāng)Rs=時(shí)，Ein不應(yīng)超過(guò)1V，而當(dāng)Rs減小時(shí)，Ein也應(yīng)相應(yīng)減小。齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)） 圖4 XTR101信號(hào)調(diào)理芯片 【2】輸入偏置 由于XTR101使用的是單電源，因此在正常工作時(shí)，信號(hào)輸入端應(yīng)加+5V左右的偏置電壓。該電壓可利用2個(gè)內(nèi)部參考電流源或其中之一通過(guò)一個(gè)電阻產(chǎn)生所需電壓。如圖3中的R2。 由于2個(gè)輸入端都存

12、在直流偏壓，這就相當(dāng)于在放大器的輸入端存在一個(gè)共模電壓，XTR101的技術(shù)指標(biāo)中已經(jīng)包含了這部分誤差。 【3】零點(diǎn)調(diào)整 XTR101可以把任何范圍(小于1v)的電壓信號(hào)變換為420mA的輸出電流，它的任務(wù)就是在輸入電壓最小時(shí)使輸出電流為4mA，即零點(diǎn)調(diào)整， 齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)）也就是使零點(diǎn)能夠上下偏移?？衫脠D4中的電阻R3和1mA的內(nèi)部參考電流源在R3上所產(chǎn)生的壓降V3來(lái)作為偏移電壓進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。即調(diào)節(jié)R3，讓其在V3=(V3)min時(shí)，使：Ein=V4-(V3)min=0。 【4】溫度補(bǔ)償當(dāng)熱電偶測(cè)溫時(shí)，其冷端溫度受環(huán)境變換影響較大，從而會(huì)影響最后測(cè)量的電信號(hào)。為了能得到穩(wěn)定

13、的電信號(hào)，以便算出真實(shí)的待測(cè)溫度，需要對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。我們選用銅電阻作為補(bǔ)償元件，是因?yàn)樗诔叵戮哂泻芎玫姆€(wěn)定性。設(shè)熱電勢(shì)為E(t，t0)，若冷端溫度t0變化t1后，熱電勢(shì)就變?yōu)镋(t，t1)，即E=E(t，t0)-E(t，t1)，銅電阻就是用于對(duì)隨溫度變化的E進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。將銅電阻和熱電偶的冷端一同置于室內(nèi)環(huán)境溫度下，將熱電偶放入冰水混合液中。調(diào)節(jié)R3使輸入電壓為0mV，而在其后的各溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不再調(diào)節(jié)R3，雖然環(huán)境溫度會(huì)變化，對(duì)熱電偶有影響，但銅電阻的阻值也會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，導(dǎo)致其兩端的電壓改變，這種變化的電壓就是用于抵消熱電偶受溫度變化影響的電勢(shì)，從而達(dá)到補(bǔ)償

14、目的。我們選用分度號(hào)為100的銅電阻，即在0時(shí)的電阻為100，在100時(shí)的電阻為142.80，所以銅電阻的敏感系數(shù)為R/t=42.8Q/100，在溫度為t時(shí)刻時(shí)，銅電阻的阻值Cut=100+(42.8/100)t。 各參數(shù)的選擇計(jì)算 【1】增益調(diào)節(jié)電阻 齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)）因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求，選擇溫度范圍：-100500。當(dāng)t=500時(shí)，Io=20mA，RL選510，所以URL=10.2V，這就需要調(diào)節(jié)Rs，即調(diào)節(jié)增益電阻。當(dāng)溫度為0時(shí)，熱電偶電壓E為0mV，靈敏度為：0.053mV/。 當(dāng)溫度為-100時(shí)，Io=4mA，Ein=0mV； 當(dāng)溫度為500時(shí)，Io=20mA，Ein=31

15、.8mV。 根據(jù)公式(1-1)：Io=(40/Rs+0.016/)Ein 又因?yàn)镮omax=20mA-4mA=16mA，Emax=31.8mV-0mV=31.8mV 所以有16mA=(40/Rs+0.016/)31.8mV得Rs=77【2】調(diào)零電阻和溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻將熱電偶的熱端置于500的溫度環(huán)境中，設(shè)此時(shí)環(huán)境溫度為20。由于熱電偶的溫度系數(shù)為0.053mv/，若其冷端感應(yīng)的溫度由20變化至100，則熱電偶兩端的電壓由3.2mV變化至0mV，電壓差為3.2mv。這個(gè)差值應(yīng)由Cut100和R1的并聯(lián)電阻兩端電壓自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)冷端溫度為20時(shí)，Cut100=100+(42.8/100)*20=10

16、8.56。 當(dāng)冷端溫度為100時(shí)，Cutl00=100+(42.8/100)*100=148.8。148.8*R1/(148.8+R1)-108.56*R1/(108.56+R1)*1mA=0.053mV/*(100-20) 可得：R1=61.3。 根據(jù)公式：Io=(40/Rs+0.016/)Ein+4mA，和Io的輸出范圍：齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)）4mA20mA當(dāng)T=-100時(shí)，要使Io=4mA，就要調(diào)節(jié)R3，既調(diào)零電阻。將熱電熱端置于0的溫度環(huán)境中。此時(shí)環(huán)境溫度仍為20，即溫差-20，熱電式E=-200.053mV/=1.06mV，3,4間的信號(hào)輸入Ein=0mV，Cu100(2

17、0)=100+(48.8/100)*20=109.6根據(jù)圖3，可得：V4=E(t,t0)+1mACu100(20)/(Cu100(20)+R1)V3=1mAR3在0測(cè)量點(diǎn)(零點(diǎn))：V4=V3，即：1mA108.56-61.3/(108.56+61.3)-1.06mV=1mA*R3可推出：R3=97.84 （3）調(diào)試 【1】調(diào)零。將熱電偶觸頭放入冰水混合液中，即0中。接上電源后，邊調(diào)節(jié)電位器R3，邊測(cè)RL兩端電壓，直至RL兩端電壓約為2.04V，即輸出電流Io為4mA。 【2】將熱電偶放入沸水中，接上電源后，邊調(diào)節(jié)電位器Rs，邊測(cè)RL兩端電壓，直至RL兩端電壓約為10.2V。即輸出電流10為20

18、mA。 【3】靈敏度 5、 心得體會(huì)： 在今年的3月初，我們進(jìn)行了傳感器的課程設(shè)計(jì)，這是我第一次真正的獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)東西，老師只是給出一個(gè)題目和大致的要求，其他的都是靠自己完成。必須承認(rèn)，這對(duì)于我的挑戰(zhàn)還是非常大的。 齊魯工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙（附頁(yè)） 首先，要使用以前基本沒(méi)用過(guò)的prtel99和protel這兩種軟件作圖，下載下來(lái)的都不能安裝，只能用以前學(xué)的CAD做圖了。這一環(huán)節(jié)幾乎占了這次課程設(shè)計(jì)的一半時(shí)間。好在上學(xué)期曾選修過(guò)這門課程，在畫(huà)原理圖是還順風(fēng)順?biāo)?，蛋到布線圖是確實(shí)遇到了很大的麻煩，經(jīng)過(guò)不懈的努力，最終我還是做出了布線圖，這是我做出的第一幅布線圖！ 其次，就是對(duì)元器件的學(xué)習(xí)，熱電偶還好，畢竟在課本上學(xué)過(guò)些皮毛，不至于從頭學(xué)起。但是，變送器就不同了，全靠自學(xué)，從結(jié)構(gòu)到原理，都得弄明白才行。在這期間我發(fā)現(xiàn)我的自學(xué)能力太有限了，許多很簡(jiǎn)單的東西我自己怎么也看不明白，但是，總想做出點(diǎn)什么的心讓我堅(jiān)持了下來(lái)。這次的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多課本上沒(méi)有的東西，擴(kuò)展了自己的視野，增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力，清醒的認(rèn)識(shí)到自己的不足，培養(yǎng)了小心謹(jǐn)慎的作風(fēng)，使自己對(duì)課題設(shè)計(jì)了解進(jìn)一步加深?？傊?，此次的課程設(shè)計(jì)使我收獲頗豐，也是我上大學(xué)來(lái)難忘的一次經(jīng)歷。六、參考文獻(xiàn)1、趙廣林.protel99電路設(shè)計(jì)與制版.北京：電子工業(yè)出版2