1、揚州大學能源與動力工程學院課程設計報告題目：基于 K 型熱電偶傳感器測量電路設計課程：傳感器與測控電路課程實習專業：測控技術與儀器班級：測控 0802姓名：徐志濤學號：學 1302231總目錄第一部分：任務書第二部分：課程設計報告第三部分：設計電路圖第一部分任傳感器與測控電路課程實習課程設計任務書課題：基于 K 型熱電偶傳感器測量電路設計一個電子產品的設計、制作過程所涉及的知識面很廣；加上電子技術的發展異常迅速，新的電子器件的功能在不斷提升，新的設計方法不斷發展，新的工藝手段層出不窮，它們對傳統的設計、制作方法提出了新的挑戰。但對于初次涉足電子產品的設計、制作來說，了解并實踐一下傳感器選擇與測

2、控電路的設計、制作的基本過程是很有必要的。由于所涉及的知識面很廣，相應的具體內容請參考本文中提示的傳感器原理及應用：測控電路，模擬電子技術基礎實驗與課程設計，電子技術實驗等書的有關章節。一、基于 K 型熱電偶傳感器測量電路設計簡介K 型熱電偶的電極材料是鍥銘一鍥硅，其精度等級為 0.75 級時，溫度為 0-1200C,其測量溫度誤差為 i0.75%o采用恰當的線性化處理后，可將精度提高到如.1%0.2%。具有零點補償功能。二、基于 K 型熱電偶傳感器測量電路設計的工作原理本課題中測量電路組成框圖如下所示：測量電路由 K 型熱電偶傳感器，零點補償和放大電路，乘法運算電路，反相放大器 1,反相加法

3、器 1 和反相加法器 2,反相放大器 2 等主電路組成；電路能夠實現零點補償和非線性校正功能。輸出分為兩路：一路是 0600c 對應的輸出電壓為 06V;另一路是 6001200c 對應的輸出電壓為 612V。三、設計目的1、掌握傳感器選擇的一般設計方法；2、掌握模擬 IC 器件的應用；3、掌握測量電路的設計方法；4、培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力。四、設計要求及技術指標1、設計、組裝、調試；2、溫度測量范圍：01200C;3、使用環境溫度范圍：085C；4、輸出電壓：0600c 為 06V;5、測溫誤差：&土 0.5%;6、具有溫度補償功能；7、具有非線性補償功能。五、設計所用

4、儀器及器件1 .直流穩壓電源2 .雙蹤示波器3 .萬用表4 .運放 AD648,AD595,AD5385 .電阻、電容若干6 .K 型熱電偶傳感器7 .萬能電路板8 .電烙鐵等六、日程安排1 .布置任務、查閱資料，方案設計；（2 天）根據設計要求，查閱參考資料，進行方案設計及可行性論證，確定設計方案，畫出電路圖。2 .上機用 EDA 軟件對設計電路進行模擬仿真調試；（2 天）要求在虛擬儀器上觀測到正確的波形并達到規定的技術指標。3 .電路的裝配及調試；（3 天）在萬能板上對電路進行裝配調試，使其全面達到規定的技術指標，最終通過驗收 O4 .總結撰寫課程設計報告。（1天）七、課程設計報告內容：總

5、結設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內容要求如下：1 .課程設計的目和設計的任務2 .課程設計的要求及技術指標3 .總方案的確定并畫出原理框圖。4 .各組成單元電路設計，及電路的原理、工作特性(結合設計圖寫)5 .總原理圖，工作原理、工作特性(結合框圖及電路圖講解)。6 .電路安裝、調試步驟及方法，調試中遇到的問題，及分析解決方法。7 .實驗結果分析，改進意見及收獲。8 .體會。八、電子電路設計的一般方法：1.仔細分析產品的功能要求，利用互連網、圖書、雜志查閱資料，從中提取相關和最有價值的信息、方法。(1)設計總體方案。(2)設計單元電路、選擇傳感器、測量電路元器件、根據需要調整總體方案(3

6、)計算電路(元件)參數。(4)繪制總體電路初稿(5)上機在 EDB(或 EDA)電路實驗仿真。(6)繪制總體電路。2 .明確電路圖設計的基本要求進行電路設計。并上機在 EDB(或 EDA)上進行電路實驗仿真， 電路圖設計已有不少的計算機輔助設計軟件， 利用這些軟件可顯著減輕了人工繪圖的壓力，電路實驗仿真大大減少人工重復勞動， 并可幫助工程技術人員調整電路的整體布局，減少電路不同部分的相互干擾等等。3.掌握常用元器件的識別和測試。電子元器件種類繁多，并且不斷有新的功能、性能更好的元器件出現。需要通過互連網、圖書、雜志查閱它們的識別和測試方法。對于常用元器件，不少手冊有所介紹。4、熟練使用儀表，了

7、解電路調試的基本方法。通過排除電路故障，提高電路性能的過程，鞏固理論知識，提高解決實際問題的能力。5、獨立撰寫課程設計報告。第二部分課程設計報目錄1 課題簡介（1）1.1 基于 K 型熱電偶傳感器測量電路設計簡介（1）1.2 K 型熱電偶概述（1）1.3 K 型熱電偶特點（1）1.4 K 型熱電偶分度表（2）2 設計的目的及任務（4）1課程設計的目的（4）1課程設計的任務（4）1課程設計的技術指標（4）3 電路設計總方案及原理框圖（5）1電路設計原理框圖（5）1電路設計方案設計（5）4 各部分電路設計（10）1反相放大器（10）1反相加法器（10）1零點補償及放大電路（11）1非線性校正電路（

8、11）1總電路圖（13）5 電路的安裝與調試（14）af5-14ce-4aee-a22e-3a003099280a-Numbered_d900e788-5cdb-47d1-8bba-518ccf3618d5-Numbered_b9cd7410-3b89 電路的安裝與調試（14）af5-14ce-4aee-a22e-3a003099280a-Numbered_d900e788-5cdb-47d1-8bba-518ccf3618d5-Numbered_b9cd7410-3b89 調試中遇到的問題及解決的方法（14）6 電路的實驗結果（15）7 實驗總結（16）8 儀器儀表明細清單（17）9 參考文

9、獻（18）1 課題簡介基于K型熱電偶傳感器測量電路設計簡介K 型熱電偶的電極材料是鍥銘一鍥硅，其精度等級為 0.75 級時，溫度為 0-1200C,其測量溫度誤差為 i0.75%o采用恰當的線性化處理后，可將精度提高到如.1%0.2%。具有零點補償功能。K型熱電偶概述K 型熱電偶作為一種溫度傳感器，K 型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節器配套使用。K 型熱電偶可以直接測量各種生產中從 0c 到 1300c 范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。K 型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。鍥銘-偶（K 型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的

10、總和。K 型熱電偶絲直徑一般為 1.24.0mm。正極（KP）的名義化學成分為：Ni:Cr=92:12,負極（KN）的名義化學成分為：Ni:Si=99:3,其使用溫度為-2001300C。K 型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優點，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。K 型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛。K型熱電偶特點檢出（測）元件熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。必須配二次儀表，其優點是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。測量范圍廣。常用

11、的熱電偶從-50+1600C 均可連續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269C（如金鐵鍥銘），最高可達+2800C（如鴇-銖）。構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。根據溫度測量范圍及精度，選用相應分度號的熱電偶、使用溫度在13001800C,要求精度又比較高時，一般選用 B 型熱電偶；要求精度不高，氣氛又允許可用鴇供熱電偶，高于 1800c 一般選用鴇銖熱電偶；使用溫度在10001300c 要求精度又比較高可用 S 型熱電偶和 N 型熱電偶；在 1000c 以下一般用 K 型熱電偶和 N 型熱電偶，低于 400c 一般

12、用 E 型熱電偶；250c 下以及負溫測量一般用 T 型電偶，在低溫時 T 型熱電偶穩定而且精度高。K型熱電偶分度表溫度單位：C 電壓單位：（mV）參考溫度點：0c（冰點）溫度0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-95-100-200-5.8914-6.0346-6.1584-6.2618-6.3438-6.4036-6.4411-6.4577-100-3.5536-3.8523-4.1382-4.4106-4.669-4.9127-5.1412-5.354-5.5503-5.7297-5.8128-5.891400-0.3919-0.7775-1.1561-1.5269-

13、1.8894-2.2428-2.5866-2.9201-3.2427-3.3996-3.5536溫度010203040506070809095100000.39690.79811.20331.61182.02312.43652.85123.26663.68193.88924.09621004.09624.50914.91995.32845.73456.13836.54026.94067.347.73917.93878.13852008.13858.53868.93999.34279.747210.153410.561310.970911.382111.794712.001512.2086300

14、12.208612.623613.039613.456613.874514.293114.712615.132715.553615.97516.18616.397140016.397116.819817.243117.666918.091118.515818.940919.366319.792120.218120.431220.644350020.644321.070621.497121.923622.3522.776423.202723.628824.054724.480224.692924.905560024.905525.330325.754726.178626.60227.024927

15、.447127.868628.289528.709628.919429.12970029.12929.547629.965330.382230.798331.213531.627732.04132.453432.864933.070333.275480033.275433.684934.093434.50134.907535.313135.717736.121236.523836.925437.125837.325990037.325937.725538.12438.521538.91839.313539.70840.101540.493940.885341.080641.2756100041

16、.241.642.042.442.843.243.543.944.344.744.945.1756649531403263112951777593396293187110045.145.445.846.246.646.947.347.748.148.448.648.8187966733487227955668368054726556382120048.849.249.549.950.250.651.051.351.752.052.252.4382024651263858439003552085602354103130052.410352.758853.105853.451253.795254.

17、137754.478854.8186ITS-90 國際溫度標準(JISC1602-1995,ASTME230-1996,IEC584-1-1995)2 設計的目的及任務課程設計的目的掌握傳感器選擇的一般設計方法掌握模擬 IC 器件的應用掌握測量電路的設計方法培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力課程設計的任務設計基于 K 型熱電偶傳感器的測量電路課程設計的技術指標設計、組裝、調試溫度測量范圍：01200c使用環境溫度范圍：085c輸出電壓：0600c 為 06V測溫誤差：&0.5%具有溫度補償功能具有非線性補償功能3 電路設計總方案及原理框圖電路設計原理框圖本課題中測量電路組成框圖如下所

18、示:測量電路由 K 型熱電偶傳感器，零點補償和放大電路，乘法運算電路，反相放大器 1,反相加法器 1 和反相加法器 2,反相放大器 2 等主電路組成；電路能夠實現零點補償和非線性校正功能。輸出分為兩路：一路是 0600c 對應的輸出電壓為 06V;另一路是 6001200c對應的輸出電壓為 612V。電路設計方案設計方案一零點補償、放大和非線性校正電路見圖 3-1o 由圖可見，它由熱電偶的零點補償、放大和非線性校正兩部分組成。(1)零點補償及放大電路該電路由美國模擬器件公司新近生產的 K 型熱電偶專用集成芯片AD595 組成。熱電偶或通過補償導線插入 CN 插座的+IN 和一 IN 即可。由

19、AD595 完成零點補償和放大任務，其輸出與輸入的關系為：Vo=249.952Vi式中，Vi是熱電偶的輸出熱電動勢。止匕外，AD595 還具有熱電偶斷偶報警功能。熱電偶斷線時，由 12 腳輸出報警信號，晶體管 VT 導通，發光二極管點燃。(2)非線性校正電路熱電偶的熱電動勢 Vi與溫度 t 不成線性關系，可用下式表示：Vi=a+a1t+a2t2+antn(3-1)式中，a。為零點輸出；a1為靈敏度；a2,決，an為非線性項系數。a。,a1，a2,a3,，an可由最小二乘法或計算機程序求出。K 型熱電偶的高階多項式(3-1),經計算可用下式表示:0600cVo=(-ii.4i.009534Va-

20、5.506i0-6Va2)(3-2)6001200cVo=(745.20.772808V,i3.i351。上乂2)(3-3)非線性校正的關鍵是如何通過電路的運算實現式(3-2)和式(3-3)。它可由平方器和加法器來完成。由圖 3-1 可見，AD538AD 組成了乘除器，它有三個輸入端子 Vx、Vy和 Vz,且能完成下列運算：mVzV=UVy(3-4)1VxJ式中，m=0.25,可通過不同接線取得不同的 m 值。AD538 的 B(3 腳)和 C(12 腳)相連，則 m=10由于 Vy和 Vz的輸人為 Va,15 腳與 4 腳連接， AD538AD 內部基準電壓由 4 腳輸出電壓10V,故 Vx

21、=10V,因此式(3-4)為：從而實現了平方運算。溫度在 0600C 范圍時，由 Ai和 A2實現式(3-2)的運算：由 Ai和 A2完成一次系數 1.009534 的運算，其中 Ai是反相輸入的放大器，A2是反相輸入的加法器。Ai的輸出為 Voi:-R2V0i-VaRiRpi調整多圈電位器可使 Voi=-i.009534VaoA2的一條支路 R6與 R3組成一個系數為(i)的支路。R6i5kfl/二-二-iR3i5k11二一，八”,、.一它將 Voi轉換成 Vo=i.009534VaoR6與 R4組成 Va的二次系數支路Va2_6Vo=-R6Va=-5ko乂=-5.55xi0-Va2所以V；

22、10000mV(3-5)i5kI.1i4k,二一RpiVaVaR4270k11i0000mVR6與 R5組成常系數一 ii.4 的偏置電路，具輸出為：R6i5kJ3Vo=xi0V=-Mi0Mi0mV=ii所以R5i3.2M,1由疊加定理可得:Vo=V0V0Vo=(-111.009534Va-5.5510%；)上式與式（3-2）大體相同。若 R4和 R5用多圈電位器可調整到與式（3-2）完全相同。溫度在 6001200c 范圍內用式（3-3）來線性校正。該式的運算由 A3和 A4完成，其中A4是放大倍數為1 的反相放大器。其分析方法與式（3-2）相同。0600c 和 600-1200C 的輸出電

23、壓 V。分別為 06V 和 612V,靈敏度為 10mV/C。該電壓可通過轉換開關輸入到 A/D轉換器和進行數字顯示。3.2.1 方案二零點補償、放大和非線性校正電路見圖 3-2。由圖可見，它由熱電偶的零點補償、放大和非線性校正兩部分組成。（1） 零點補償及放大電路該電路由美國模擬器件公司新近生產的 K 型熱電偶專用集成芯片 AD595 組成。熱電偶或通過補償導線插入 CN 插座的+IN 和一 IN 即可。由 AD595 完成零點補償和放大任務，其輸出與輸入的關系為：Vo=249.952Vi式中，Vi是熱電偶的輸出熱電動勢。止匕外，AD595 還具有熱電偶斷偶報警功能。熱電偶斷線時，由 12

24、腳輸出報警信號，晶體管 VT 導通，發光二極管點燃。（2）非線性校正電路熱電偶的熱電動勢 Vi與溫度 t 不成線性關系，可用下式表示：Vi=a0+a1t+a2t2+antn（3-6）式中，a0為零點輸出；ai為靈敏度；a2,a3,，an為非線性項系數。a0,ai,灰灰, ,決，決，an可由最小二乘法或計算機程序求出。K 型熱電偶的高階多項式(3-1),經計算可用下式表示：0600c 乂乂=(-11.41.00953 牝牝-5.50610V；)(3-7)6001200cVo=(745.20.772808Va13.135102)(3-8)非線性校正的關鍵是如何通過電路的運算實現式(3-7)和式(3

25、-8)。它可由平方器和加法器來完成。由圖 3-2 可見，AD538AD 組成了乘除器，它有三個輸入端子 Vx、Vy和 Vz,且能完成下列運算：V7Vo=憂憂Vy(3-9)1VxJ式中，m=0.25,可通過不同接線取得不同的 m 值。AD538 的 B(3 腳)和 C(12 腳)相連，則 m=10由于 Vy和 Vz的輸人為 Va,15 腳與 4 腳連接， AD538AD 內部基準電壓由 4 腳輸出電壓10V,故故 Vx=10V,因此式(3-9)為：Vo=幺Va=V(3-10)10V10000mV從而實現了平方運算。溫度在 0600c 范圍時，由 A1和 A2實現式(3-7)的運算：由 A1和 A

26、2完成一次系數 1.009534 的運算，其中 A1是反相輸入的放大器，A2是反相輸入的加法器。A1的輸出為 Vo1：-Va調整多圈電位器 RPI可使 Vo1=1.009534Va。A2的一條支路 R6與 R3組成一個系數為(1)的支路。R610K11一一=-=-1R310K1一小一,、一一它將 Vo1轉換成 Vo=1.009534VaoR6與 R4組成 Va的二次系數支路一叱Va2180k1110000mV62-5.5510Va2R6與 R5組成常系數一 11.4 的偏置電路，具輸出為：&10k：；Vo=-10V=10V=-11R59.1M-J由疊加定理可得：62Vo-VoVoVo=

27、（-111.009534Va-5.5510、a）上式與式（3-7）大體相同。若 R4和 R5用多圈電位器可調整到與式（3-7）完全相同。溫度在 6001200c 范圍內用式（3-8）來線性校正。該式的運算由 A3和 A4完成，其中A4是放大倍數為1 的反相放大器。其分析方法與式（3-7）相同。0600C 和 6001200c 的輸出電壓 V。分別為 06V 和 612V,靈敏度為 10mV/C。該電壓可通過轉換開關輸入到 A/D轉換器和進行數字顯示。A4R13旦4產R15VT2SA1015VDLEDIC216不1宣IXIYIZ15T0VX13T4VYVZC+10V+2VVOPGNDISGND-

28、VAD538ADRP14+VAD58-15VR1R2R6OH+VCC42KIC3AR3AD648*i14VCCR5R8J+VCC4AiR1023TIC4AX-AD648-VCCA2H+vc CR111AD6483H-VCCIC5A13.R12H+VCCIC6ACN3Vo6-12VAD648(600-1200L|-VCC圖 3-2 方案二原理圖A34 各部分電路設計衡電阻 R3=Ri/R2。反相加法器4.1反相放大器R2UiUo圖 4-1反相放大器如圖 4-1 所示，開環增益KfUoR2UiRiRi其中平U-ii圖 4-2零點補償及放大電路該電路由美國模擬器件公司新近生產的 K 型熱電偶專用集成

29、芯片 AD595 組成。熱電偶或通過補償導線插入 CN 插座的+IN 和一 IN 即可。由 AD595 完成零點補償和放大任務，其輸出與輸入的關系為：Vo=249.952Vi式中，Vi是熱電偶的輸出熱電動勢此外，AD595 還具有熱電偶斷偶報警功能。熱電偶斷線時，由 12 腳輸出報警信號晶體管VT 導通，發光二極管點燃。如圖 4-3 所示。4爰皿5+411_2KEitEEp9A%圖 4-3 零點補償及放大電路非線性校正電路熱電偶的熱電動勢 Vi與溫度 t 不成線性關系，可用下式表示：Vi=ao+ait+a2t2+antn(4-1)式中，ao為零點輸出；ai為靈敏度；a2,決，an為非線性項系數。ao,ai,%,決，an 可由最小二乘法或計算機程序求出。K 型熱電偶的高階多項式(4-1),經計算可用下式表示:反相加法器如圖 4-2 所示，U。RfRfUilUi2RiR2平衡電阻 R=R1/R2/Rf