仪器仪表电子工业课程设计-氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真.doc

课课 程程 设设 计计 报报 告告 学生姓名学生姓名:学学 号：号： 学学 院院:自动化工程学院 班班 级级:测控 081 题题 目目:氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真 指指导导教教师师： ： 职职称称: 2011 年 12 月 16 日 仪器仪表电子工业课程设计 1 目 录 1.1.设计目的设计目的 .2 2.2.设计要求设计要求 .3 3.3.设计内容设计内容 .4 3.1 总体设计4 3.2 工作原理分析4 3.3 器件选型说明6 3.4 原理图设计.6 3.4.1 减法电路6 3.4.2 比例放大部分7 3.5 电路仿真9 3.6 pcb 电路设计.10 3.7 可靠性和抗干扰设计11 3.8 总结12 4.4.设计心得和体会设计心得和体会 .13 参考文献参考文献 .14 附录附录 1 1：电路原理图：电路原理图 15 附录附录 2 2：pcbpcb 图图 .16 附录附录 3 3：pcbpcb 效果图效果图 .17 仪器仪表电子工业课程设计 2 1.1.设计目的设计目的 在火力发电的过程中，对锅炉烟气含氧量，二氧化碳含量，一氧化碳含量 的分析测量对于指导锅炉燃烧控制有重要的意义。锅炉燃烧过程的重要任务之 一是维持炉内过剩空气稳定，以保证经济燃烧。炉内过剩空气稳定，对燃煤锅 炉来说，一般是通过保证一定的风煤比来实现的，这种情况只有在煤质稳定时， 才能较好地保持炉内过剩空气稳定，而当煤质变化，就不能保持炉内过剩空气 稳定，不能保持经济燃烧。 要随时保持经济燃烧，就必须经常检测炉内过剩空气系数或氧量，并根据 氧量的多少来适当调整风量，以保持最佳风煤比，维持最佳的过剩空气系数或 氧量。所以，送风调节系统常采用氧量校正信号。所以测量烟气中氧气含量意 义重要。 针对这次课程设计的内容，可以分为以下五点： 了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集 成电路） ； （1） 了解印刷电路板的设计和制作过程； （2） 掌握电子元器件选型的基本原理和方法； （3） 了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧； （4） 掌握氧气浓度传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电 路的调试 仪器仪表电子工业课程设计 3 2.2.设计要求设计要求 选用氧化锆氧量传感器进行烟气含氧量测量，要求测量范围 0.1%-20.0%、 精度为 0.1%。设计传感器的信号调理电路，实现以下要求： （1）将传感器输出 112-0.6 mv 的信号转换为 0-5v 直流电压信号； （2）对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； （3）电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； （4）电路的基本工作原理应有一定说明； （5（ 电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性（不限制 eda 软件类） 仪器仪表电子工业课程设计 4 3.3.设计内容设计内容 3.13.1 总体设计总体设计 首先氧化锆传感器输入信号与一个 0.6mv 电压信号作差，使信号变为 0- 111.4mv，即 u1a 部分完成的功能。减法电路输出的信号需要经过一个同相比例 放大器放大，使信号变为 0-5v 的标准电压信号。所以 u1b 部分完成放大信号的 作用。最终将传感器输入的 112-0.6mv 信号转换成电压信号。 整体设计的电路图如下： 图 1 电路原理图 3.23.2 工作原理分析工作原理分析 氧化锆氧量计属于电化学分析器中的一种。烟气中氧气含量用氧化锆氧量 传感器测量，氧化锆氧量计可以用来连续分析烟气中氧的含量，然后控制送风 量来调节过剩空气系数值，以保证最佳的空气燃料比，达到节能的效果。 工作原理：氧传感器的关键部件是氧化锆，在氧化锆元件的内外两侧涂上 仪器仪表电子工业课程设计 5 多孔性铂电极制成氧浓度差电池。它位于传感器的顶端。氧化锆管是由氧化锆 材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结 体。由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导 体。因其这一特性，在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个 典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。 在实际的氧探头中，空气流经外电极，烟气流经内电极，当烟气氧含量 p2小于 空气氧含量 p1（20.6%o2）时，空气中的氧分子从外电极上夺取 4 个电子形成 2 个氧离子，发生如下电极反应： o2（p2）+4e-2o2- 氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应： 2o2- o2（p1）+4e- 由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，因而产生的电势又导致氧 离子从烟气边反向迁移到空气边，当这两种迁移达到平衡后，便在两电极间产 生一个与氧浓差有关的电势信号 e,该电势信号符合“能斯特”方程： e=(rt/4f)ln(p1/p2) 式中 r、f 分别是气体常数和法拉第常数，t 是锆管绝对温度（k）, p1 是 空气氧含量（20.6%o2）, p2 是烟气含量。由（1）式可见，在一定的高温条件 下（一般 600） ，一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出，在理想状态下， 其电势值在高温区域内对应氧含量。 如果被测气体和参比气体的压力均为 p，则有 e=(rt/4f)ln(p1/p/p2/p) p1/p=v1/v=x1 p2/p=v2/v=x2 x1，x2被测气体和参比气体氧气体积百分比含量。 所以有： e=(rt/4f)ln(x1/x2) 氧化锆传感器测量范围为 0.1%-20.0%时，传感器输出信号为 112-0.6mv， 为了便于将传感器输出信号处理和传输，我们需将传感器信号转换成 0-5v 标准 仪器仪表电子工业课程设计 6 信号。所以需要设计一调理电路完成。 3.33.3 器件选型说明器件选型说明 表 1 元器件清单 器件类型数量单价合计 电阻 滑动变阻器 6 1 0.1 1.0 0.6 1.0 放大器 21.83.6 氧化锆传感器 112001200 所需电路板长 3.8cm,宽 2.6cm,面积为 9.88cm2.，价格约为 1.2 元。 共计：1206.4 元。 3.4原理图设计原理图设计 3.4.13.4.1 减法电路减法电路 首先氧化锆传感器输入信号与一个 0.6mv 电压信号作差，使信号变为 0- 111.4mv，完成将下限调为 0 的作用。原理图如下： 仪器仪表电子工业课程设计 7 图 2 减法电路图 作用：将 0.6mv112mv 电压转换为 0111.4mv 电压 电路原理：差分式减法运算电路是利用一级运放实现的电路，如图 2 所示。 要进行运算的两路信号分别由运放的同相和反相输入端送入，这是一种差分输 入方式。由于存在着负反馈，电路属于线性电路，因此，可以利用叠加定理分 析求解电路输出电压与输入电压之间关系。 当令 ui1单独作用时，ui2=0，电路实质是一个反相输入比例电路，如图所 示，输出端电压 uo1=-r3*ui1/r2 电阻 r2/r3，只起平衡作用，不影响电路输入输出关系。 当 u2单独作用时，令 ui1=0,此时电路实质是所分析的同相输入比例电路。 分析结果得： uo2=(1+r3/r2)*rf*ui2/(r+ri) 最后，利用叠加定理就可以求出输入信号 ui1和 ui2共同作用时，输出电压 仪器仪表电子工业课程设计 8 为 uo=uo1+uo2=-r3*ui1/r2+r3*ui2/r2=r3(ui2-ui1)/r2 若取 r3=r2，则有 uo=ui2-ui1 从而实现对输入信号的减法运算。减法运算也可以看成是对两个输入信号 的差进行放大，所以此电路也广泛应用于自动检测仪器中，实现对输入信号的 检测。 3.4.23.4.2 比例放大部分比例放大部分 作用：将减法电路输出的信号放大为 05v 图 3 同相比例放大电路图 工作原理: 同相输入比例运算放大电路如图所示： 仪器仪表电子工业课程设计 9 在图 3 电路中，电阻 r5和 rv1组成了反馈网络。按电路分析，该电路属于 电压串联负反馈电路，其电路输入电阻 rif=。输出电阻 rof=0. 输入电压 u1 加到了运放的通向输入端，所以输出电压 u0与 u1同相。根据 “虚短”的概念，有运放反向输入端点位 un等于通向输入端点位 up,而同时相 端电位 up 就是输入端信号电位 ui 即 u0=u1=up 又根据虚断的概念，流入运放输入端的电流为零，因此有 if=ir 由以上分析可知，ui是 uo在电阻 r5,rv1支路的分压，即 ui=r1*uo/(rv1+r5) 整理得：uo=(1+r5/rv1)ui 上式表明。该电路的输出电压 uo与输入电压 ui成比例，比例系数 k=1+r5/rv1 从放大电路角度看，同相输入比例运算放大电路也是输出电压与输入电压 同相的放大电路，其放大倍数为 au=1+r5/rv1 3.53.5 电路仿真电路仿真 使用 proteus 软件仿真，改变传感器输入信号端电压值大小，测量调理电 路输出值的大小，如下表所示： 表 2 传感器与调理电路输出值表 传感 器信 号 （v） 0.00060.0010.0050.010.030.050.080.10.112 输出 端 （v） 0.040.250.430.641.492.353.634.495.00 仿真电路图如下： 仪器仪表电子工业课程设计 10 图 4 proteus 电路仿真图 3.63.6 pcbpcb 电路设计电路设计 pcb 的设计流程分为原理图设计，规划电路板，载入网络报表，元件的布 局和调整，中间层的定义，布线规则设置以及布线等。 1.原理图设计：对于原理图，建议采用模块化的设计方法，相近电路或功 能模块放在一起，具有很好的可读性。 k0 2.规划电路板：也就是你要设计的电路板用在什么地方，尺寸、板层结构、 原件封装以及安装方式。5 i- u s# y; $ k4 3.载入网络报表，导入 pcb，这部分很简单。 4.元件的布局和调整.这部分可双层板没有多少差别，不过对于核心原件还 是要注意的。当然也可以双面布局原件；对于时钟要靠近 cpu,振荡电路尽量远 离天线等易受干扰区。晶振下要放接地焊盘。对于相同电源类型的尽量靠在一 起，这样可以很好的电源分割等等。 k 5.中间层的定义。电路的层数选择有经验公式的，内电层的线是负逻辑。 # j) u 6.布线规则设置以及布线，优化布线。布线完毕后要检查布线的完整性， 别让飞线存在，然后运行 drc。+ |; b r 仪器仪表电子工业课程设计 11 7.对于外部接口最好有文字说明，方便交互式使用。 图 5 pcb 电路设计图 3.73.7 可靠性和抗干扰设计可靠性和抗干扰设计 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就 pcb 抗干 扰设计的几项常用措施做一些说明。 1.电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同 时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能 力。 2地线设计 地线设计的原则是： (1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它 们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部 分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元 件周围尽量用栅格状大面积地箔。 (2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化 仪器仪表电子工业课程设计 12 而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上 的允许电流。如有可能，接地线应在 23mm 以上。 (3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环 路大多能提高抗噪声能力。 3.退藕电容配置 pcb 设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。 退藕电容的一般配置原则是： (1)电源输入端跨接 10 100uf 的电解电容器。如有可能，接 100uf 以上的 更好。 (2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个 0.01pf 的瓷片电容，如遇印制 板空隙不够，可每 48 个芯片布置一个 1 10pf 的但电容。 (3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 ram、rom 存储器件， 应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。 (4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。 3.83.8 总结总结 本文对烟气中氧含量的在线检测进行了深入的研究，在参考一些资料的基 础上合理的选择了系统的设计方案。 1.选用氧化锆氧量传感器进行烟气含氧量的测量，介绍了氧化锆氧量计的工 作原理，对元器件的选型进行了分析，并附有元器件的报价。 2.设计了模拟小信号调理电路，由于传感器输入信号是毫伏级，所以设置了 一个同相比例放大器，对其进行放大，使输出在 0-5v。 3.用 proteus 对电路硬件原理图进行了仿真，用 protel 软件进行 pcb 图设计。 4.针对电路进行了可靠性和抗干扰设计 本文还存在一些不足以及进一步有待研究的地方，希望老师同学们给予指导 改正。 仪器仪表电子工业课程设计 13 4.4.设计心得和体会设计心得和体会 经过这两个星期的课程设计，我收获了很多。我了解常用电子元器件基本 知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路），了解了印刷电路板 的设计和制作过程，掌握了电子元器件选型的基本原理和方法，了解了电路焊 接的基本知识和掌握了电路焊接的基本技巧，并且掌握了氧化锆传感器信号调 理电路的设计，利用仿真软件进行电路的调试。 认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯 一标准。此次课程设计加强了对书本知识的理解，也锻炼了