基于运算放大器的具有冷端补偿的热电偶测温虚拟仪器课程设计.doc

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1、目 录第一章 摘要2第二章 引言2 2.1 热电偶简介2 2.2 设计目的2第三章 电路结构设计3 3.1 热电偶的工作原理3 3.2 冷端补偿电路设计4 3.3 运算放大器的设计5第四章 参数的计算6 4.1 补偿电路的计算6 4.2 运算放大器的计算 7第五章 基于DXP2004的电路设计9 5.1 PCB工程的建立及原理图的绘制 9第六章 心得体会与设计总结9仪器仪表明细清单10参考文献 10 测控技术与仪器 课程设计报告第一章 摘要本设计是基于运算放大器的具有冷端补偿的热电偶测温。主要设计包括三部分：热电偶，冷端补偿，运算放大器。热电偶选用的为K型热电偶，补偿采用是桥式补偿电路，运算放

2、大器则用的是LM358P。首先是小组讨论电路，根据电路图焊接好电路以后进行测试，最后用DXP2004软件生成电路图。第二章 引言 在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，在温度测量中，热点偶的应用极为广泛，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。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子，管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。热电偶作为一种温度传感器，热电偶通常和显示仪表，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。2

3、.1热电偶简介热电温度记录仪常以热电偶作为测温元件，它广泛用来测量 -200 1300 范围内的温度，特殊情况下，可测至 2800 的高温或 4K 的低温。它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、 以及对温度信号的放大变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中，热电温度计的应用最普遍。2.2设计任务(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) 掌握电子元器件选型的基本原理和方法；(3) 了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧；(4) 掌握热电偶温度传感器信号

4、调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。第三章 电路结构设计3.1热电偶的工作原理 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（称为热电偶丝材或热电极）组成闭合回路，当接合点两端的温度不同，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（也称为测量端），温度较低的一端为自由端（也称为补偿端），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，

5、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。如图3.1图3.1其中1为热电偶 2为导线 3为测温测压放大电路，我们要求在500到1200度范围内的输出信号进行放大，而K型热电偶比较合适，因此我们选择K型热电偶来进行。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

6、泛为用户所采用。K型热电偶的冷端热端在不同温度下产生的电势差如表1所示： 表13.2冷端补偿电路设计由热电偶的基本作用原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度差所产生的热电势，如此虽然热端所处的温度保持恒定不变，但由于冷端产生不规则的温度改变，则所测得的温度值也就由上表可得，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度所产生的热电势，如此虽然热端变数，或不能代表被测处的实际温度。热电偶温度补偿公式如下： E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0) 其中，E(t0，0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表O。在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为O，而是

7、在一定范围内变化着，因此测得的热电势为E(t，t0)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t，0)，就必须补偿冷端不是0所需的补偿电势 E(t0，0)，而且，该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果。 我们常用补偿方式为桥式自动补偿电路，这种补偿方法是在靠近热电偶冷端地方置放构成桥式电路的一臂，此臂是由电阻温度系数较大的金属组成，一般采用镍铜，其余三臂都由电阻温度系数较小的锰铜合金线构成。当冷端温度为零度时，电桥构成平衡状态，若冷端温度产生改变，镍铜的一臂的电阻也随同改变，则使电桥失去平衡或输出电势，因为这输出电势的大小与冷端由于温度的变化所产

8、生的热电势大小相等但方向相反，这样两者抵消，或冷端产生变化但对准确度的影响无关。这种补偿电路如图2所示：图2其中R2 R3 R4为不随温度变化的电阻，R1为随温度变化的电阻，Rs为调节电源电压的可调电阻。3.3 运算放大器的设计 热电偶输出的是毫伏级的电压，要求为伏安级，所以采用差分放大器的仪器仪表放大器，它具有很低的输出阻抗，精确和稳定的增益，一般在1V/V到1000V/V放大倍数，极高的工模抑制比。他的原理图如下图3示： 图3在图中OA1和OA2构成常称之为输入级或第一级，而OA3构造输出级，依据输入电压约束条件RG上的电压是V1-V2，依据输入电流约束条件，流过电阻R3与流过RG为同一个

9、电流。由欧姆定律得放大倍数 因为增益取决于外部电阻的比值，所以利用合适的电阻增益可以做得精确。由于OA1与OA2工作在同相结构，它们的闭环输入电阻极高，同样，OA3的闭环输出电阻也很低。最后，通过适当调节第二级电阻中的一个都能使CMRR达到最大。从而这个电路满足条件。第四章 参数的计算 4.1冷端补偿电路如图4所示： 图4(1)补偿桥路的阻值计算：冷端利用桥路补偿法，补偿电路如图2所示。R1为热敏电阻，在0时，测得R1阻值为R0。令R2=R3=R4=R0，接入四个桥臂，此时电桥平衡，电桥输出E=0,电桥没有对冷端进行补偿。当测量现场的温度不为0时，冷端输出不为标定值，热敏电阻的阻值会变为R0+

10、R，电桥输出电压E为： (式3-1)(2)运算放大器电路如图5所示： （式3-2）图5 运算放大器电路测量结果如表4-1所示。放大倍数 。表4-1 测量数据表温度/4050556065707580放大器输入/mV3.84.55.66.47.38.28.79.1放大器输出/V3.54.45.46.57.48.08.69.3放大倍数921.1977.8964.31015.61013.7975.6988.51021.9第五章 基于DXP2004的电路设计5.1 DXP原理图的绘制图6 DXP原理图第六章 心得体会 在经过为期一周的传感器实习设计中，我们小组完成了一个基于热电偶的温度传感器。在这次的实

11、习中，我收获良多。 首先是要完成电路图的绘制，在这个问题上我们就遇到了瓶颈。平常都只是注重课本知识的我们，很少有实际操作动手的机会，所以要通过自己的思考与分析来绘制出一个完整的电路图会觉得无从下手。然后我们通过去图书馆查询了相关的书籍资料，同时又将课本上的知识温习了一遍以后画出了其电路图。 然后是电路板的焊接。有了电路图以后，我们先找齐了所需的元器件。然后就开始了电路板的焊接工作。当我们把板子焊好以后却发现其没有正常工作，于是我们列出了各种可能出现的问题一一排查，最后通过万用表检测出来是有元件存在了虚焊的问题。我们将其重新加固之后电压表开始有了示数。 之后我们又发现实际检测出来的电压放大倍数与

12、之前设置好并计算出来的放大倍数有很大差距，于是我们又将焊好的电路板与电路图一一对应检查，并利用万用表检测各元器件是否正常工作。最后发现是电阻的阻值错误，在换了一个符合的电阻之后，电路板终于开始了正常工作。 最后我们用DXP2004软件进行了电路图的电子版绘制。因为之前并未使用过DXP2004软件进行电路图的绘制。所以我通过查询相关资料并且询问其他同学，在很短的时间内对这个软件首先进行了一些了解，虽然使用起来还是特别生疏，但是最后还是绘制出了其电路图。相信以后随着实习设计量的增加，我能慢慢对其熟悉起来。 在此一周的实习过程中，我认为自己的所得所获超过了预想量。首先我更加体会到了我们所学的是一门注

13、重于实际操作与设计多于纸上理论的课程，所以不能只局限于精通理论知识而纸上谈兵，应该多实践，在实际应用中发现问题，同时加深对理论知识的理解。其次我认为在生活中和学习中的任何事情上，特别是这种需要耐心的小事情上面要谨慎细心，尽量杜绝因为粗心大意而带来的不必要的麻烦。最后我觉得应该多多拓展自己的视野，在日后的学习中应该多去了解一些需要用到的软件知识，顺应时代潮流，在仿真与模拟软件中加深对所学知识的理解，同时提高自己的应用能力。仪器仪表明细清单电路板1只仪器连接线1只电源线1只电烙铁1只焊锡丝1只K型热电偶1只运放芯片LM358P1只电阻：若干参考文献1：基于运算放大器和模拟集成电路的设计；赛尔吉欧.弗朗哥，20012：模拟电子技术；康华光，1998 3：电路理论；邱关源，1999 4：数字电子技术；闫石，2006 5: 电子技术基础（数字部分）；康华光，2006 6：电子技术基础（模拟部分）；康华光，2006- 10 -