1、传感器课程设计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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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/
9、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-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
10、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
11、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
12、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 0-1400 R 铂铑合金（铑含量13 %） 纯铂 0-1400 B 铂铑合金（铑含量30%） 铂铑合金（铑含量6% ）
13、0-1400K 镍铬 镍硅 -200-+1000 T 纯铜 铜镍 -200-+300 J 铁 铜镍 -200-+600 N 镍铬硅 镍硅 -200-+1200 E 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1BALANCE 2INPUT 3INPUT 4V- 5BALANCE 6OUTPUT 7V+ 8NC4.2 放大电路 放大电路图
14、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/mv2263.50.223760.32482.30.32583.10.42698.30.4271060.528114.50.529117.50.530129.20.631140.50.632141.40.6331530.734162.20.835170.20.8361
15、75.80.837180.20.9381930.9392010.9402010.9412141422241.1432311.1442401.1452451.2462571.2472651.3482731.3492801.4502871.4512881.4523051.5533171.5543181.5553241.6563331.6573421.6583491.7593541.7603671.8613771.8623851.8633921.9643971.9654122664212674262684302.1694382.1704402.1714472.2724582.2734622.2744
16、652.3754772.3764982.4775042.5785162.5795222.5805262.6815292.6825402.6835432.7845482.7855552.7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
17、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。型热电偶的缺点：热电势的高温稳定性较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
18、而损坏；在250500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23；负极在150200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(n)、钴(o)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
19、活中可以说得是无处不在。因此作为我们测控系的学生来说掌握传感器的设计和运用技术是十分重要的。回顾起此次传感器课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，例如模电，mat lab等。而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在
20、设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说运放lf356n引脚不懂怎么放置，又如运放的零漂问题等等。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在鲍老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在鲍老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献传感器应用电路300例 电子工业出版社 孙余凯 吴敏山编著传感器应用店里设计与制作 科学出版社 松井邦彦著 梁瑞林译传感器原理设计与应用 国防科技大学出版社 刘迎春 叶湘彬编著模拟电子技术 东南大学出版社 成立 杨建宁编著传感器技术 东南大学出版社 贾伯年 俞朴 宋爱国主编
