傳感器課程設(shè)計

word文檔可自由編輯傳感器課程設(shè)計說明書熱電偶溫度傳感器學(xué)院名稱：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師職稱：2011年1月目錄第1章摘要 3第2章引言 3第3章熱電偶 33.1概述 33.2工作原理 33.2.1熱電效應(yīng) 33.2.2熱電偶基本定律 33.3熱電偶的種類及材料 33.3.1熱電偶的種類 33.3.2常用熱電偶材料 3第4章放大電路的設(shè)計 34.1運(yùn)放型號 34.2放大電路 3第5章數(shù)據(jù)的采集與分析 3第6章心得體會 3參考文獻(xiàn) 3第1章摘要在分析熱電偶溫度傳感器特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計出熱電偶傳感器的信號處理電路，以及熱電偶信號直流放大電路，將信號輸出。熱電偶傳感器是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。第2章引言從科學(xué)技術(shù)發(fā)展的角度看，人類社會已經(jīng)或下在經(jīng)歷著手工化—機(jī)械化—自動化—信息化—……的發(fā)展歷程。當(dāng)今的社會信息化靠的是現(xiàn)代信息技術(shù)——傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)三大支柱的支撐，由此可見：傳感器技術(shù)在國家工業(yè)化和社會信息化的進(jìn)程中有著突出的地位和作用。在工程科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域里，可以認(rèn)為：傳感器是人體“五官”的工程模擬物。國家標(biāo)準(zhǔn)把它定義為：能感受規(guī)定的被測量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件各轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器技術(shù)，則是以傳感器為核心論述其內(nèi)涵、外延的學(xué)科；也是一門涉及測量技術(shù)、功能材料、微電子技術(shù)、精密與微細(xì)加工技術(shù)、信息處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等相互結(jié)形成的密集型綜合技術(shù)。傳感器的具體構(gòu)成方法，視被測對象、轉(zhuǎn)換原理、使用環(huán)境及性能要求等具體情況的不同而有很大差異。熱電偶溫度傳感器屬于自源型，為僅含有敏感元件的最簡單、最基本的傳感器構(gòu)成形式。此形式的特點(diǎn)是無需外能源，故又稱無源型；其敏感元件具有從被測對象直接吸取能量，并轉(zhuǎn)換成電量的效應(yīng)；但輸出能量較弱。第3章熱電偶3.1概述熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測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,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。附：熱電偶冷端補(bǔ)償計算方法：從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應(yīng)毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度。從溫度到毫伏：測量出實(shí)際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題：1：熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫[2]度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)；2：熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)；3：當(dāng)熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。3.2工作原理3.2.1熱電效應(yīng)兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。（1）兩種不同的金屬A和B構(gòu)成如圖3-1所示的閉合回路，如果將它們的兩個接點(diǎn)中的一個進(jìn)行加熱，使其溫度為T，而另一點(diǎn)置于室溫T0中，則在回路中會產(chǎn)生熱電勢，用來表示，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。圖3-1（2）通常把兩種不同金屬的這種組合叫做熱電偶，A、B叫做熱電極，溫度高的接點(diǎn)叫做熱端或工作端，而溫度低的接點(diǎn)叫做冷端或自由端。（3）由理論分析知道，熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電式是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。1.接觸電勢接觸電勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。如圖3-2所示。圖3-2兩種不同金屬A和B接觸時，在接觸處便發(fā)生電子的擴(kuò)散。若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的自由電子濃度，則在同一瞬間由金屬A擴(kuò)散到金屬B中去的電子將比由金屬B擴(kuò)散到A中去的電子多，因而金屬A因失去電子而帶正電，金屬B因得到電子而帶負(fù)電。由于正、負(fù)電荷的存在，在接觸處便產(chǎn)生電場。該電場將阻礙擴(kuò)散作用的進(jìn)一步發(fā)生，同時引起反方向的電子轉(zhuǎn)移。擴(kuò)散和反擴(kuò)散形成矛盾運(yùn)動。上述過程的發(fā)展，直到擴(kuò)散作用和阻礙其擴(kuò)散的作用的效果相同時，也即由金屬A擴(kuò)散到金屬B的自由電子與金屬B擴(kuò)散到金屬A的自由電子（形成漂移電流）相等時，該過程便處于動態(tài)平衡。在這種動態(tài)平衡狀態(tài)下，A和B兩金屬之間便產(chǎn)生一定的接觸電勢，該接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電勢eAB（T）可表示為：式中：k-玻耳茲曼常數(shù)（k=1.38×J/K）；T-接觸面的絕對溫度；e-單位電荷量（e=1.6×C）；NA-金屬電極A的自由電子密度；NB-金屬電極B的自由電子密度；2.溫差電勢溫差電勢（又稱湯姆森電勢）是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢，其大小由下面公式給出：式中δ-湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時所產(chǎn)生的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。綜上所述，在由兩種不同金屬組成的閉合回路中，當(dāng)兩端點(diǎn)的溫度不同時，回路中產(chǎn)生的熱電勢等于上述電位差的代數(shù)和，如圖3-3所示：圖3-3在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，熱電偶的熱電勢可表示為：對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度恒定時，為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即:因此就可以用測量到的熱電勢來得到對應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導(dǎo)體A和B的材料有關(guān)，與冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時，通過實(shí)驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。3.2.2熱電偶基本定律1.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。2.參考電極定律3.中間溫度定律在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T，T0時的熱電勢，等于該熱電偶在接點(diǎn)T、Ta和Ta、T0時的熱電勢之和，如圖3-4所示:圖3-4由上圖可得：根據(jù)這一定律，只要給出自由端0℃時的熱電勢和溫度關(guān)系，就可求出冷端為任意溫度T0的熱電偶電動勢。它是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質(zhì)，可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進(jìn)行修正。3.3熱電偶的種類及材料3.3.1熱電偶的種類常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。3.3.2常用熱電偶材料熱電偶分度號熱電極材料使用溫度范圍（℃）S鉑銠合金（銠含量10%）純鉑0-1400R鉑銠合金（銠含量13%）純鉑0-1400B鉑銠合金（銠含量30%）鉑銠合金（銠含量6%）0-1400K鎳鉻鎳硅-200-+1000T純銅銅鎳-200-+300J鐵銅鎳-200-+600N鎳鉻硅鎳硅-200-+1200E鎳鉻銅鎳-200-+700第4章放大電路的設(shè)計熱電偶溫度傳感器屬于自源型，為僅含有敏感元件的最簡單、最基本的傳感器構(gòu)成形式。此形式的特點(diǎn)是無需外能源，故又稱無源型；其敏感元件具有從被測對象直接吸取能量，并轉(zhuǎn)換成電量的效應(yīng)；但輸出能量較弱，故需放大電路放大信號。4.1運(yùn)放型號LF356N芯片1—BALANCE2—INPUT3—INPUT4—V-5—BALANCE6—OUTPUT7—V+8—NC4.2放大電路放大電路圖將熱電偶正極（紅端）接2INPUT—，負(fù)極（綠端）接地，6OUTPUT接數(shù)字萬用表。由圖可知此放大電路將原信號放大—200倍，在進(jìn)行實(shí)驗前要對運(yùn)放調(diào)零，否則放大倍數(shù)會發(fā)生錯誤，調(diào)零電路如圖：圖：調(diào)零電路第5章數(shù)據(jù)的采集與分析將熱電偶的探頭與溫度計探頭放入熱水中，隨著溫度的降低觀察數(shù)據(jù)的變化并記錄。測量溫度/℃輸出值/mv熱點(diǎn)偶電壓值/mv2263.50.223760.32482.30.32583.10.42698.30.4271060.528114.50.529117.50.530129.20.631140.50.632141.40.6331530.734162.20.835170.20.836175.80.837180.20.9381930.9392010.9402010.9412141422241.1432311.1442401.1452451.2462571.2472651.3482731.3492801.4502871.4512881.4523051.5533171.5543181.5553241.6563331.6573421.6583491.7593541.7603671.8613771.8623851.8633921.9643971.9654122664212674262684302.1694382.1704402.1714472.2724582.2734622.2744652.3754772.3764982.4775042.5785162.5795222.5805262.6815292.6825402.6835432.7845482.7855552.7用軟件MATLAB處理數(shù)據(jù)可得圖如下：對照分度表可知此熱電偶是K型熱電偶。K型熱電偶和其它的工作原理相同，K型熱電偶是以鎳鉻合金為正極，鎳硅合金為負(fù)極的兩導(dǎo)體的一端焊接而成的。這兩根導(dǎo)體的焊接端稱為K型的熱電極，其焊接端為熱端，非焊接端為冷端。在進(jìn)行溫度測量時，將插入被測的物體介質(zhì)中，使其熱端感受到被測介質(zhì)的溫度，其冷端置于恒定的溫度下，并用連接導(dǎo)線連接電氣測量儀表。由于兩端所處的溫度不同，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，在保持冷端溫度不變的情況下，產(chǎn)生的熱電勢只隨其熱端溫度而變化，因此，用電氣測量儀表測得熱電勢的數(shù)值后，便可求出對應(yīng)的溫度數(shù)值K型熱電偶是一種能測量較高溫度的廉價熱偶。由于這種合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質(zhì)中。K型熱電偶測溫范圍可長期測量1000度的高溫，短期可測到1200度。它不能用于還原性介質(zhì)中，否則，很快腐蝕，在此情況下只能用于500度以下的測量。它比S型熱偶要便宜很多，它的重復(fù)性很好，產(chǎn)生的熱電勢大，約為0.041mV/度，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。Ｋ型熱電偶的缺點(diǎn)：熱電勢的高溫穩(wěn)定性較Ｎ型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度下（例如超過1000℃）往往因氧化而損壞；在250～500℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好，即在同一溫度點(diǎn)，在升溫降溫過程中，其熱電勢示值不一樣，其差值可達(dá)2～3℃；負(fù)極在150～200℃范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，在室溫至230℃范圍內(nèi)分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場中使用時往往出現(xiàn)與時間無關(guān)的熱電勢干擾；長期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下，由于負(fù)極中的錳(Ｍn)、鈷(Ｃo)等元素發(fā)生蛻變，使其穩(wěn)定性欠佳，致使熱電勢發(fā)生較大變化。第6章心得體會課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，傳感器已經(jīng)成為當(dāng)今生活應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為