word文檔可自由編輯傳感器課程設計說明書熱電偶溫度傳感器學院名稱：專業班級：學生姓名：學號：指導教師姓名：指導教師職稱：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 33.2.2熱電偶基本定律 33.3熱電偶的種類及材料 33.3.1熱電偶的種類 33.3.2常用熱電偶材料 3第4章放大電路的設計 34.1運放型號 34.2放大電路 3第5章數據的采集與分析 3第6章心得體會 3參考文獻 3第1章摘要在分析熱電偶溫度傳感器特性的基礎上，設計出熱電偶傳感器的信號處理電路，以及熱電偶信號直流放大電路，將信號輸出。熱電偶傳感器是目前接觸式測溫中應用最廣的熱電式傳感器，具有結構簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優點。第2章引言從科學技術發展的角度看，人類社會已經或下在經歷著手工化—機械化—自動化—信息化—……的發展歷程。當今的社會信息化靠的是現代信息技術——傳感器技術、通信技術和計算機技術三大支柱的支撐，由此可見：傳感器技術在國家工業化和社會信息化的進程中有著突出的地位和作用。在工程科學與技術領域里，可以認為：傳感器是人體“五官”的工程模擬物。國家標準把它定義為：能感受規定的被測量（包括物理量、化學量、生物量等）并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件各轉換元件組成。傳感器技術，則是以傳感器為核心論述其內涵、外延的學科；也是一門涉及測量技術、功能材料、微電子技術、精密與微細加工技術、信息處理技術和計算機技術等相互結形成的密集型綜合技術。傳感器的具體構成方法，視被測對象、轉換原理、使用環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單、最基本的傳感器構成形式。此形式的特點是無需外能源，故又稱無源型；其敏感元件具有從被測對象直接吸取能量，并轉換成電量的效應；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。它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號,通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，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恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，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，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時，冷端的（環境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償。附：熱電偶冷端補償計算方法：從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度。從溫度到毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度對于熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題：1：熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫[2]度函數的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數；2：熱電偶所產生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關；3：當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數。將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，如圖所示。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。3.2工作原理3.2.1熱電效應兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。（1）兩種不同的金屬A和B構成如圖3-1所示的閉合回路，如果將它們的兩個接點中的一個進行加熱，使其溫度為T，而另一點置于室溫T0中，則在回路中會產生熱電勢，用來表示，這一現象稱為熱電效應。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，溫度高的接點叫做熱端或工作端，而溫度低的接點叫做冷端或自由端。（3）由理論分析知道，熱電效應產生的熱電式是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。1.接觸電勢接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。如圖3-2所示。圖3-2兩種不同金屬A和B接觸時，在接觸處便發生電子的擴散。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擴散到金屬B中去的電子將比由金屬B擴散到A中去的電子多，因而金屬A因失去電子而帶正電，金屬B因得到電子而帶負電。由于正、負電荷的存在，在接觸處便產生電場。該電場將阻礙擴散作用的進一步發生，同時引起反方向的電子轉移。擴散和反擴散形成矛盾運動。上述過程的發展，直到擴散作用和阻礙其擴散的作用的效果相同時，也即由金屬A擴散到金屬B的自由電子與金屬B擴散到金屬A的自由電子（形成漂移電流）相等時，該過程便處于動態平衡。在這種動態平衡狀態下，A和B兩金屬之間便產生一定的接觸電勢，該接觸電勢的數值取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢eAB（T）可表示為：式中：k-玻耳茲曼常數（k=1.38×J/K）；T-接觸面的絕對溫度；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.溫差電勢溫差電勢（又稱湯姆森電勢）是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。同一導體的兩端溫度不同時，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比從低溫端跑到高溫端的要多，結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電，因此，在導體兩端便形成溫差電勢，其大小由下面公式給出：式中δ-湯姆遜系數，它表示溫度為1℃時所產生的電動勢值，它與材料的性質有關。綜上所述，在由兩種不同金屬組成的閉合回路中，當兩端點的溫度不同時，回路中產生的熱電勢等于上述電位差的代數和，如圖3-3所示：圖3-3在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，熱電偶的熱電勢可表示為：對于已選定的熱電偶，當參考端溫度恒定時，為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即:因此就可以用測量到的熱電勢來得到對應的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和B的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。實際應用中，熱電勢與溫度之間關系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時，通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數值對應關系。3.2.2熱電偶基本定律1.中間導體定律在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），只要中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這就是中間導體定律。2.參考電極定律3.中間溫度定律在熱電偶回路中，兩接點溫度為T，T0時的熱電勢，等于該熱電偶在接點T、Ta和Ta、T0時的熱電勢之和，如圖3-4所示:圖3-4由上圖可得：根據這一定律，只要給出自由端0℃時的熱電勢和溫度關系，就可求出冷端為任意溫度T0的熱電偶電動勢。它是制定熱電偶分度表的理論基礎。在實際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質，可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。3.3熱電偶的種類及材料3.3.1熱電偶的種類常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。3.3.2常用熱電偶材料熱電偶分度號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章放大電路的設計熱電偶溫度傳感器屬于自源型，為僅含有敏感元件的最簡單、最基本的傳感器構成形式。此形式的特點是無需外能源，故又稱無源型；其敏感元件具有從被測對象直接吸取能量，并轉換成電量的效應；但輸出能量較弱，故需放大電路放大信號。4.1運放型號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—，負極（綠端）接地，6OUTPUT接數字萬用表。由圖可知此放大電路將原信號放大—200倍，在進行實驗前要對運放調零，否則放大倍數會發生錯誤，調零電路如圖：圖：調零電路第5章數據的采集與分析將熱電偶的探頭與溫度計探頭放入熱水中，隨著溫度的降低觀察數據的變化并記錄。測量溫度/℃輸出值/mv熱點偶電壓值/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處理數據可得圖如下：對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，鎳硅合金為負極的兩導體的一端焊接而成的。這兩根導體的焊接端稱為K型的熱電極，其焊接端為熱端，非焊接端為冷端。在進行溫度測量時，將插入被測的物體介質中，使其熱端感受到被測介質的溫度，其冷端置于恒定的溫度下，并用連接導線連接電氣測量儀表。由于兩端所處的溫度不同，在回路中就會產生熱電勢，在保持冷端溫度不變的情況下，產生的熱電勢只隨其熱端溫度而變化，因此，用電氣測量儀表測得熱電勢的數值后，便可求出對應的溫度數值K型熱電偶是一種能測量較高溫度的廉價熱偶。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中。K型熱電偶測溫范圍可長期測量1000度的高溫，短期可測到1200度。它不能用于還原性介質中，否則，很快腐蝕，在此情況下只能用于500度以下的測量。它比S型熱偶要便宜很多，它的重復性很好，產生的熱電勢大，約為0.041mV/度，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。Ｋ型熱電偶的缺點：熱電勢的高溫穩定性較Ｎ型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度下（例如超過1000℃）往往因氧化而損壞；在250～500℃范圍內短期熱循環穩定性不好，即在同一溫度點，在升溫降溫過程中，其熱電勢示值不一樣，其差值可達2～3℃；負極在150～200℃范圍內要發生磁性轉變，在室溫至230℃范圍內分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場中使用時往往出現與時間無關的熱電勢干擾；長期處于高通量中系統輻照環境下，由于負極中的錳(Ｍn)、鈷(Ｃo)等元素發生蛻變，使其穩定性欠佳，致使熱電勢發生較大變化。第6章心得體會課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發展的日新日異，傳感器已經成為當今生活應用中空前活躍的領域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為