傳感器課程設(shè)計(jì)

word文檔可自由編輯傳感器課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)熱電偶溫度傳感器學(xué)院名稱(chēng)：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師職稱(chēng)：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(lèi)及材料 33.3.1熱電偶的種類(lèi) 33.3.2常用熱電偶材料 3第4章放大電路的設(shè)計(jì) 34.1運(yùn)放型號(hào) 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(huì) 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(jì)出熱電偶傳感器的信號(hào)處理電路，以及熱電偶信號(hào)直流放大電路，將信號(hào)輸出。熱電偶傳感器是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)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(lèi)社會(huì)已經(jīng)或下在經(jīng)歷著手工化—機(jī)械化—自動(dòng)化—信息化—……的發(fā)展歷程。當(dāng)今的社會(huì)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(jì)算機(jī)技術(shù)三大支柱的支撐，由此可見(jiàn)：傳感器技術(shù)在國(guó)家工業(yè)化和社會(huì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)把它定義為：能感受規(guī)定的被測(cè)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(hào)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(mén)涉及測(cè)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(jì)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(cè)對(duì)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(jiǎn)單、最基本的傳感器構(gòu)成形式。此形式的特點(diǎn)是無(wú)需外能源，故又稱(chēng)無(wú)源型；其敏感元件具有從被測(cè)對(duì)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(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)，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(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)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(shí)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(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過(guò)引線(xiàn)與測(cè)量電路連接的端稱(chēng)為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)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(chēng)為熱電偶的冷端補(bǔ)償。附：熱電偶冷端補(bǔ)償計(jì)算方法：從毫伏到溫度：測(cè)量冷端溫度，換算為對(duì)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(cè)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(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：1：熱電偶的熱電勢(shì)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(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)；3：當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)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(shì)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(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)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(chēng)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(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱(chēng)為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱(chēng)為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。（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(gè)接點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)行加熱，使其溫度為T(mén)，而另一點(diǎn)置于室溫T0中，則在回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，用來(lái)表示，這一現(xiàn)象稱(chēng)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(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。1.接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)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(dòng)勢(shì)。如圖3-2所示。圖3-2兩種不同金屬A和B接觸時(shí)，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(chǎng)。該電場(chǎng)將阻礙擴(kuò)散作用的進(jìn)一步發(fā)生，同時(shí)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(dòng)。上述過(guò)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(shí)，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(shí)，該過(guò)程便處于動(dòng)態(tài)平衡。在這種動(dòng)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(shì)，該接觸電勢(shì)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(shì)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(duì)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(shì)溫差電勢(shì)（又稱(chēng)湯姆森電勢(shì)）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(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，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(shì)，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(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)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(shí)，回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度恒定時(shí)，為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即:因此就可以用測(cè)量到的熱電勢(shì)來(lái)得到對(duì)應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢(shì)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(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無(wú)關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間關(guān)系是通過(guò)熱電偶分度表來(lái)確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)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(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒(méi)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(mén)，T0時(shí)的熱電勢(shì)，等于該熱電偶在接點(diǎn)T、Ta和Ta、T0時(shí)的熱電勢(shì)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(shí)的熱電勢(shì)和溫度關(guān)系，就可求出冷端為任意溫度T0的熱電偶電動(dòng)勢(shì)。它是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中，利用熱電偶這一性質(zhì)，可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。3.3熱電偶的種類(lèi)及材料3.3.1熱電偶的種類(lèi)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(lèi)。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)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(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)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(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。3.3.2常用熱電偶材料熱電偶分度號(hào)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(jì)熱電偶溫度傳感器屬于自源型，為僅含有敏感元件的最簡(jiǎn)單、最基本的傳感器構(gòu)成形式。此形式的特點(diǎn)是無(wú)需外能源，故又稱(chēng)無(wú)源型；其敏感元件具有從被測(cè)對(duì)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(hào)。4.1運(yùn)放型號(hào)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(wàn)用表。由圖可知此放大電路將原信號(hào)放大—200倍，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前要對(duì)運(yùn)放調(diào)零，否則放大倍數(shù)會(huì)發(fā)生錯(cuò)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(jì)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(cè)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(duì)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(chēng)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(cè)量時(shí)，將插入被測(cè)的物體介質(zhì)中，使其熱端感受到被測(cè)介質(zhì)的溫度，其冷端置于恒定的溫度下，并用連接導(dǎo)線(xiàn)連接電氣測(cè)量?jī)x表。由于兩端所處的溫度不同，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，在保持冷端溫度不變的情況下，產(chǎn)生的熱電勢(shì)只隨其熱端溫度而變化，因此，用電氣測(cè)量?jī)x表測(cè)得熱電勢(shì)的數(shù)值后，便可求出對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值K型熱電偶是一種能測(cè)量較高溫度的廉價(jià)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(cè)溫范圍可長(zhǎng)期測(cè)量1000度的高溫，短期可測(cè)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(cè)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(shì)大，約為0.041mV/度，因而靈敏度很高，而且它的線(xiàn)性很好。Ｋ型熱電偶的缺點(diǎn)：熱電勢(shì)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(guò)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(guò)程中，其熱電勢(shì)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(chǎng)中使用時(shí)往往出現(xiàn)與時(shí)間無(wú)關(guān)的熱電勢(shì)干擾；長(zhǎng)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(shì)發(fā)生較大變化。第6章心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)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(shuō)得是無(wú)處不在。因此作為