传感器课程设计

word文档可自由编辑传感器课程设计说明书热电偶温度传感器学院名称：专业班级：学生姓名：学号：指导教师姓名：指导教师职称：2011年1月目录第1章摘要 3第2章引言 3第3章热电偶 33.1概述 33.2工作原理 33.2.1热电效应 33.2.2热电偶基本定律 33.3热电偶的种类及材料 33.3.1热电偶的种类 33.3.2常用热电偶材料 3第4章放大电路的设计 34.1运放型号 34.2放大电路 3第5章数据的采集与分析 3第6章心得体会 3参考文献 3第1章摘要在分析热电偶温度传感器特性的基础上，设计出热电偶传感器的信号处理电路，以及热电偶信号直流放大电路，将信号输出。热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。第2章引言从科学技术发展的角度看，人类社会已经或下在经历着手工化—机械化—自动化—信息化—……的发展历程。当今的社会信息化靠的是现代信息技术——传感器技术、通信技术和计算机技术三大支柱的支撑，由此可见：传感器技术在国家工业化和社会信息化的进程中有着突出的地位和作用。在工程科学与技术领域里，可以认为：传感器是人体“五官”的工程模拟物。国家标准把它定义为：能感受规定的被测量（包括物理量、化学量、生物量等）并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件各转换元件组成。传感器技术，则是以传感器为核心论述其内涵、外延的学科；也是一门涉及测量技术、功能材料、微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技术和计算机技术等相互结形成的密集型综合技术。传感器的具体构成方法，视被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同而有很大差异。热电偶温度传感器属于自源型，为仅含有敏感元件的最简单、最基本的传感器构成形式。此形式的特点是无需外能源，故又称无源型；其敏感元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的效应；但输出能量较弱。第3章热电偶3.1概述热电偶是一种感温元件，是一次仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。附：热电偶冷端补偿计算方法：从毫伏到温度：测量冷端温度，换算为对应毫伏值，与热电偶的毫伏值相加，换算出温度。从温度到毫伏：测量出实际温度与冷端温度，分别换算为毫伏值，相减後得出毫伏值，即得温度对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1：热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温[2]度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；2：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关；3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。3.2工作原理3.2.1热电效应两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。（1）两种不同的金属A和B构成如图3-1所示的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生热电势，用来表示，这一现象称为热电效应。图3-1（2）通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，A、B叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。（3）由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由接触电势和温差电势两部分组成。1.接触电势接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。如图3-2所示。图3-2两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。若金属A的自由电子浓度大于金属B的自由电子浓度，则在同一瞬间由金属A扩散到金属B中去的电子将比由金属B扩散到A中去的电子多，因而金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电。由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场。该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动。上述过程的发展，直到扩散作用和阻碍其扩散的作用的效果相同时，也即由金属A扩散到金属B的自由电子与金属B扩散到金属A的自由电子（形成漂移电流）相等时，该过程便处于动态平衡。在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间便产生一定的接触电势，该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势eAB（T）可表示为：式中：k-玻耳兹曼常数（k=1.38×J/K）；T-接触面的绝对温度；e-单位电荷量（e=1.6×C）；NA-金属电极A的自由电子密度；NB-金属电极B的自由电子密度；2.温差电势温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成温差电势，其大小由下面公式给出：式中δ-汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和，如图3-3所示：图3-3在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为：对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即:因此就可以用测量到的热电势来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。3.2.2热电偶基本定律1.中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。2.参考电极定律3.中间温度定律在热电偶回路中，两接点温度为T，T0时的热电势，等于该热电偶在接点T、Ta和Ta、T0时的热电势之和，如图3-4所示:图3-4由上图可得：根据这一定律，只要给出自由端0℃时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度T0的热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论基础。在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。3.3热电偶的种类及材料3.3.1热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。3.3.2常用热电偶材料热电偶分度号热电极材料使用温度范围（℃）S铂铑合金（铑含量10%）纯铂0-1400R铂铑合金（铑含量13%）纯铂0-1400B铂铑合金（铑含量30%）铂铑合金（铑含量6%）0-1400K镍铬镍硅-200-+1000T纯铜铜镍-200-+300J铁铜镍-200-+600N镍铬硅镍硅-200-+1200E镍铬铜镍-200-+700第4章放大电路的设计热电偶温度传感器属于自源型，为仅含有敏感元件的最简单、最基本的传感器构成形式。此形式的特点是无需外能源，故又称无源型；其敏感元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的效应；但输出能量较弱，故需放大电路放大信号。4.1运放型号LF356N芯片1—BALANCE2—INPUT3—INPUT4—V-5—BALANCE6—OUTPUT7—V+8—NC4.2放大电路放大电路图将热电偶正极（红端）接2INPUT—，负极（绿端）接地，6OUTPUT接数字万用表。由图可知此放大电路将原信号放大—200倍，在进行实验前要对运放调零，否则放大倍数会发生错误，调零电路如图：图：调零电路第5章数据的采集与分析将热电偶的探头与温度计探头放入热水中，随着温度的降低观察数据的变化并记录。测量温度/℃输出值/mv热点偶电压值/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用软件MATLAB处理数据可得图如下：对照分度表可知此热电偶是K型热电偶。K型热电偶和其它的工作原理相同，K型热电偶是以镍铬合金为正极，镍硅合金为负极的两导体的一端焊接而成的。这两根导体的焊接端称为K型的热电极，其焊接端为热端，非焊接端为冷端。在进行温度测量时，将插入被测的物体介质中，使其热端感受到被测介质的温度，其冷端置于恒定的温度下，并用连接导线连接电气测量仪表。由于两端所处的温度不同，在回路中就会产生热电势，在保持冷端温度不变的情况下，产生的热电势只随其热端温度而变化，因此，用电气测量仪表测得热电势的数值后，便可求出对应的温度数值K型热电偶是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。K型热电偶测温范围可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，约为0.041mV/度，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。Ｋ型热电偶的缺点：热电势的高温稳定性较Ｎ型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000℃）往往因氧化而损坏；在250～500℃范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达2～3℃；负极在150～200℃范围内要发生磁性转变，在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰(Ｍn)、钴(Ｃo)等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。第6章心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，传感器已经成为当今生活应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为