热电偶温度传感器信号调理电路设计与仿真介绍_热电阻信号调理电路
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录
第1章 绪 论.........................................................................................................1 1.1 课题背景与意义..........................................................................................1 1.2 设计目的与要求..........................................................................................1 1.2.1 设计目的...........................................................................................1 1.2.2 设计要求...........................................................................................1 第2章 设计原理与内容...........................................................................................2
2.1 热电偶的种类及工作原理.............................................................................3
2.1.1热电偶的种类....................................................................................3
2.1.2 工作原理分析....................................................................................4
2.2 设计内容......................................................................................................4 2.2.1 总体设计...........................................................................................4 2.2.2 原理图设计.......................................................................................5 2.2.3 可靠性和抗干扰设计.......................................................................7 第3章 器件选型与电路仿真...................................................................................8 3.1 器件选型说明..............................................................................................8 3.2 电路仿真......................................................................................................8 第4章 设计心得与体会...........................................................................................9 参考文献.....................................................................................................................10 附录1：电路原理图...................................................................................................11 附录2：PCB图............................................................................................................11 附录3：PCB效果图....................................................................................................11
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第1章 绪 论
1.1 课题背景与意义
温度是一个基本的物理量，在工业生产和实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。本设计中正是关于温度的测量，采用热电偶温度测量具有很多的好处，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
同时，热电偶作为有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常在日常生活中被应用，如测量炉子，管道内的气体或液体温度及固体的表面温度。热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶可直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
1.2 设计目的与要求 1.2.1 设计目的(1)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）；(2)了解印刷电路板的设计和制作过程；(3)掌握电子元器件选型的基本原理和方法；
(4)了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧；
(5)掌握热电偶温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。
1.2.2 设计要求
选用热电偶温度传感器进行温度测量，要求测温范围100-300℃、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4.096-12.209mV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
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第2章 设计原理与内容
2.1 热电偶的种类及工作原理 2.1.1 热电偶种类
1、K型热电偶镍铬
Ｋ型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，是目前用量最大的热电偶。然而，它不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。Ｋ型热电偶缺点：
(1)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；
(2)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℃；
(3)其负极在150～200℃范围内要发生磁性转变，致使在室温至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；
(4)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。
2、S型热电偶
该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂。其特点是：
(1)热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃ 超达1400℃时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；(2)精度高，在所有热电偶中准确度等级最高，通常用作标准或测量较高温度；(3)使用范围较广，均匀性及互换性好；
(4)主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在原
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性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。
3、E型热电偶(镍铬－铜镍[康铜]热电偶)Ｅ型热电偶为一种较新产品，正极为镍铬合金，负极为铜镍合金(康铜)。其最大特是 在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及Ｋ型偶广泛但要 求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与型相 同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。
4、N型热电偶(镍铬硅－镍硅热电偶)
该热电偶的主要特点：在1300℃以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在400～1300℃范围内，Ｎ型热电偶的热电特性的线性比Ｋ型偶要好；但在低温范围内(-200～400℃)的非线性误差较大，同时，材料较 硬难于加工。
5、J型热电偶(铁－康铜热电偶)
J 型热电偶：该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜(铜镍合金)，具特点是价格便宜,适 用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从-200～800℃，但常用温度只在500℃以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气(Ｈ2)及一氧化碳(ＣＯ)气体腐蚀，但不能在高温(例如500℃)含硫(Ｓ)的气氛中使用。
6、T型热电偶(铜－铜镍热电偶)
T型热电电偶：该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金(也称康铜)，其主要特点是： 在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用温度是-200～350℃，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃，在-200～300℃范围内，它们灵敏度比较高，铜－康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是 常用几种定型产品中最便宜的一种。
7、R型热电偶(铂铑13－铂热电偶)该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同S 型相比，它的电势率大15% 左右，其它性能几乎相同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少。
热电偶通常分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。标准化热电偶是指制造工艺比
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较成熟，应用广泛，能成批生产，性能优良而稳定，并以利用工业标准化元件中的那些热电偶。标准化热电偶具有统一的分度表，常见的七种标准热电偶是R型、S型、B型、K型、E型、J型、T型。N型热电偶为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶。
2.1.2 工作原理分析
热电温度计是由热电偶、补偿导线及测量仪表构成的。其中热电偶是敏感元件, 它由两种不同的导体A 和B 连接在一起, 构成一个闭合回路, 当两个连接点1 与2 的温度不同时, 由于热电效应,回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势, 记为EAB。接点1 在测量时被置于测场所, 故称为测量端或工作端。接点2 则要求恒定在某一温度下,称为参考端或自由端, 如图1 所示。
实验证明, 当电极材料选定后, 热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关, 即.比例系数SAB 称为热电动势率, 它是热电偶最重要的特征量。当两接点的温度分别为t1 , t2 时, 回路总的热电动势为, 式中eAB(t1)、eAB(t2)分别为接点的分热电动势。
对于已选定材料的热电偶, 当其自由端温度恒定时, eAB(t2)为常数, 这样回路总的热电动势仅为工作温度t1 的单值函数。所以, 通过测量热电动势的方法就可以测量工作点的实际温度
图 1 热电偶原理图
2.2 设计内容 2.2.1 总体设计
本设计需要测量温度为100到300度，选用K型热电偶，在将测量所得电压进行放大
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处理。
K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=92：12，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=99：3，其使用温度为-200~1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛.，热电偶测量输出的信号为4.096-12.209mV，我们用信号调理电路将其转换为0-5V直流电压信号
此信号调理电路由一个减法放大器和一个同相比例放大器组成，减法放大器一端电压接4.096 mV，这样在经过减法器的时候电压变化范围就会变成4.096-8.113mV，再由比例放大器输出，就会得到0-5V直流电压信号.2.2.2 原理图设计
同相输入放大电路如图2所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。
根据虚短、虚断的概念有vN= vP= vS，i1=if
于是求得所以该电路实现同相比例运算。同相比例运算电路的特点如下 1.输入电阻很高，输出电阻很低。
2.由于vN= vP= vS，电路不存在虚地，且运放存在共模输入信号，因此要求运放有较高的共模抑制比。
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图 2 同相比例放大电路
差分式减法运算电路
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，图1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。
图3 减法电路图
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
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uo1=-R3*ui1/R2(2-2-1)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)(2-2-2)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，输出电压为 uo=uo1+uo2=-R3*ui1/R2+R3*ui2/R2=R3(ui2-ui1)/R2(2-2-3)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。
2.2.3 可靠性和抗干扰设计
抗干扰的应用包括避免强磁场，补偿导线加屏蔽动力电缆，与信号线、分开布线、保持距离。系统产生干扰的原因有很多，在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等，构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外，还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差，因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。因此，要保证系统稳定和可靠的运行，“接地环路”问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。解决“接地环路”的方法 根据理论和实践分析，有三种解决方案： 第一种方案：所有现场设备不接地，使所有过程环路只有一个接地点，不能形成回路，这种方法看似简单，但在实际应用中往往很难实现，因为某些设备要求必须接地才能保证测量精度或确保人生安全，某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点。第二种方案：使两接地点的电势相同，但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响，这种方案其实在实际中无法完全能做到。第三种方案：在各个过程环路中使用信号隔离方法，断开过程环路，同时又不影响过程信号的正常传输，从而彻底解决接地环路问题
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第3章 器件选型与电路仿真
3.1 器件选型说明
在热电偶测温传感器信号调理电路中，用到了电阻、集成运算放大器等。具体如下表所示：
表1所用元器件清单表
器件类型 K型热电偶 电阻 放大器
数量 1 6 2
单价 128.00 0.02 2.60
合计 128.00 0.12 5.20 3.2 电路仿真
Proteus电路仿真软件功能非常强大，在电路设计中，能够直观有效的观察电路的运行状态，工作点和电路参数，利用仿真来调整电路参数达到设计目的，有事半功倍的效果，尤其在单片机程序调试过程中，无需搭建实验电路板，能够跟Keil C单片机程序开发软件直接联调，方便快捷的调试单片机的程序，进行单片机系统的设计开发，在仪器的开发设计中，能够有效地提高效率，减少试验成本，缩短开发周期。根据电路原理，将信号放大电路、温度采集电路、模拟开关，统一设计在一个电路原理图中。使用proteus软件的仿真功能，得到如图4-1所示：
4-1总体电路图
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第4章 设计心得与体会
本次课程设计我们的选题是热电偶温度传感器信号调理电路设计与仿真，通过本周的课程设计。我对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）有了更多的了解，增长了知识也对自己所学的知识有了新的认识，同时也可以真的切实的将所学的知识应用到实践当中，这让我对所学的课程知识和软件的认知更加深刻，了解了如何利用仿真软件进行简单的电路的调试，通过本次课设，我深刻意识到纸上谈兵对知识的认知终究只能停留在表面，只有通过实验才能对知识有更好更深刻的理解与感悟。很高兴我能有这个机会和大家共同交流学习，从中学到了很多。同时也发现自己对于软件使用方面仍有不足，在今后应该加强.-10-
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参考文献
[1]徐德炳译，《传感器的接口及信号调理电路》，北京：国防工业出版社，1984年 [2]刘宏，《电子工艺实习》，广州：华南理工大学出版社，2009年 [3]俞雅珍，《电子工艺技术》，上海：复旦大学出版社，2007年 [4]康华光，《模拟电子技术》，北京：高等教育出版社，2004年
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附录1：电路原理图
附录2：PCB图
附录3：PCB效果图
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