温度℃
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
热电动势mV
0
0.000
0.397
0.798
1.203
1.611
2.022
2.436
2.850
3.266
3.681
100
4.095
4.508
4.919
5.327
5.733
6.137
6.539
6.939
7.338
7.737
200
8.137
8.537
8.938
9.341
9.745
10.151
10.560
10.969
11.381
11.793
300
12.207
12.623
13.039
13.456
13.874
14.292
14.712
15.132
15.552
15.974
400
16.395
16.818
17.241
17.664
18.088
18.513
18.938
19.363
19.788
20.214
500
20.640
21.066
21.493
21.919
22.346
22.772
23.198
23.624
24.050
24.476
600
24.902
25.327
25.751
26.176
26.599
27.022
27.445
27.867
28.288
28.709
700
29.128
29.547
29.965
30.383
30.799
31.214
31.214
32.042
32.455
32.866
800
33.277
33.686
34.095
34.502
34.909
35.314
35.718
36.121
36.524
36.925
900
37.325
37.724
38.122
38.915
38.915
39.310
39.703
40.096
40.488
40.879
1000
41.269
41.657
42.045
42.432
42.817
43.202
43.585
43.968
44.349
44.729
1100
45.108
45.486
45.863
46.238
46.612
46.985
47.356
47.726
48.095
48.462
1200
48.828
49.192
49.555
49.916
50.276
50.633
50.990
51.344
51.697
52.049
1300
52.398
52.747
53.093
53.439
53.782
54.125
54.466
54.807
—
—
2.2热电偶材料的选择
根据热电偶的中间导体定律，即
EABC（T,T0>=EAB（T,T0>，选择如图2.1的热电偶结构
根据所测的温度范围500℃—1200℃以及常用热电偶材料的测温范围，选择K型镍铬-镍硅热电偶，其分度表如表2.2。
镍铬-镍硅的测温范围是0℃—1300℃满足所测范围。
第三章热电偶的冷端处理
——冷端温度补偿电路的设计
3.1冷端的恒温方式
使冷端保持恒温的方法有，将冷端置于冰水混合物中或者置于恒温槽中，也可以将冷端置于温度缓慢变化的容器或者深埋于地下的铁盒或者充满绝缘热体的铁管中等等。
其中“冰浴法”最适用于实验室，且若使用“冰浴法”，因其保证了冷端温度为0℃，所以不须用计算修正测量结果，所读得的电压值在分度表中对应的温度即为所测温度。
3.2冷端温度的波动自动补偿
3.2.1补偿原理
使冷端温度保持恒定需要冰浴法或者恒温槽,而且当T0≠0℃时，还须用计算修正测试结果，因此不大方便。
在实际热电偶测温中经常用的是自动补偿冷端温度波动对温度指
示值影响的“冷端自动补偿法”方式。
自动补偿方式是在热电偶与测量仪表间接入一个直流电桥——补偿电桥，基本原理如图3.2.1所示。
A
TUo
B
图3.2.1电桥补偿法原理图
补偿电桥的三个桥臂电阻R1，R2,，R3用电阻温度系数极小的锰铜丝制成，可以认为其电压值是定植；而另一桥臂电阻Rt则用电阻温度系数较大的铜丝制成。
使用时，用用延伸导线将热电偶冷端延伸至补偿电桥处，让补偿电桥与热电偶冷端感受同一温度Tn。
当冷端温度Tn变化时，补偿电桥中的Rt也随Tn变化，补偿电桥的电源E如图所示的方向时，补偿电桥便可输出一个不起平衡电压Uab。
Uab与热电偶输出的热电势EAB（T,Tn>叠加成Uo输入到测量仪表。
即
Uo＝EAB（T,Tn>＋Uab（3-1-1>
适当选择桥臂电阻和桥臂电流，使补偿电桥满足以下条件：
当Tn＝T0时，Uo＝0
当Tn≠T0时，Uab＝EAB（Tn,T0>（3-1-2>
由（1-2-2>式可知，无论是Tn＝T0还是Tn≠T0，都能使
Uo＝EAB（T,Tn>＋Uab=EAB（T,Tn>+EAB（Tn,T0>=EAB（T,T0>（3-1-3>
即Uo与Tn无关，也就是说，只要T不变，尽管Tn波动，测量仪表驱动电压Uo都不会
改变。
又式（3-1-3>可知，这就要求，Tn变化时，电桥补偿电压的变化正好抵消电势
EAB（T,Tn>的变化，二者之和Uo任不变。
这种补偿电桥通常称为冷端温度补偿器.
3.2.2补偿电路参数的确定
电桥平衡时有RtR1=R2R3,温度有变化时，参考端电势发生变化，通过调节温敏电阻Rt来补偿变化了的电势。
输出电压Uo的表达式为
由平衡条件
以及
，上式可简化为
为简便起见,取
温敏电阻
用一个
的滑动变阻器代替。
当滑动变阻器接入电路的电阻为
时，电桥平衡。
并且用滑动变阻器滑动端位置的变化接入电路的电阻值不同来仿真温敏电阻随温度的变化电阻值不同的事实。
第四章热电偶传感器输出信号的调节电路
4.1带偏置电压的热电势放大电路的设计
如图4.1为热电偶电势的放大电路。
图中采用了三运算放大器的仪器仪表放大器，相对于单运放的放大器，它对抑制噪声有很好的功效。
且要求
4.2放大电路的参数设计
图4.1带偏置电压的三运算放大器的仪器仪表放大器
热电偶测量端的最高温度1200℃，对应于镍铬-镍硅热电偶的输出电压为48.828mv,测量端的最低温度为500℃，其对应输出的热电势为20.640mv,而要求的最大输出电压为2.5v.最小电压0v.因此需要给最低温度处设置一偏置电压，使测量端温度为500℃时的输出电压为0v。
因所需的放大倍数
。
因此所需的偏置电压为
。
而三运放仪器仪表放大器的输出电压：
，放大倍数为：
因此，取
，
，
那么图示电路的放大倍数为：
基本满足所要求的增益88.69.
第五章Multisim仿真
5.1基于热电偶的温度测量放大电路仿真
图5.1.1热电偶的温度测量电路
5.1.1放大电路
如图5.1.1为热电偶测温的放大电路基本原理图。
仿真中用信号发生器产生变化的电压来模拟热电偶随所测温度变化输出热电势的不同值。
用示波器来跟踪显示放大前和放大后的电压值。
图5.1.2信号发生器的参数
图5.1.3放大前后的电压的显示
5.1.2放大电路仿真分析
如图5.1.2为信号发生器的参数设计值，选择正弦波来代替热电偶随温度变化得不同而输出的电压值，并且设置信号发生器的输出电压为
，即热电偶所测最高温度即最低温度的差值。
如图5.1.3为经放大器放大前后的电压显示情况。
示波器B通道为放大器的输入电压为28.188mv，经放大器放大后的输出电压值为2.579v。
则其放大倍数为
可见基本满足所要求的放大倍数。
5.2热电偶冷端补偿电路的仿真
5.2.1冷端补偿电路
C
B
A
D
图5.2.1热电偶冷端补偿电路
如图5.2.1为热电偶的冷端补偿电路，它属于慧斯登平衡电桥的一种。
图中用信号发生器代替由于冷端温度波动而带来的输出的电压波动,且从C、D两点输入。
A、B点接示波器，对输出电压值进行考察。
从而来仿真电桥的补偿作用。
图5.2.2信号发生器的设定值
5.2.2补偿电路的仿真分析
图5.2.3电桥平衡时的电压值
C
AB
C
图5.2.4电桥失衡电路
图5.2.5电桥失衡时的电压值
如图5.2.2为信号发生器的参数设定值。
如图5.2.1为电桥平衡时的电路，滑动变阻器接入电路的电阻值为
，真好满足电桥的平衡条件。
因此，此时A、B两点的电压值应该相等，如图5.2.3正好证实了这一点。
有
。
如图5.2.4为电桥失衡时的电路，此时滑动变阻器接入电路的电压值为
。
因此，A、B两点的电压值不相等。
如图5.2.5，有
，正好证实了这一点。
第六章心得体会
通过这周的努力我完成了基于热电偶的测温电路仿真课程设计。
刚开始的时候感觉一筹莫展，不知道如何入手，觉得很困难，要自己独立完成课程设计很是不容易的事情。
不过，通过多方查阅资料，询问老师，与同学讨论，最后还是成功的完成了。
这个课程设计经过多次的修改和整理，但由于自己的水平有限，还有很多不足之处，希望在以后的学习生活中能够进一步提高
在没有做课程设计之前，觉得课程设计只是对知识的单纯总结，但是通过这次课程设计发现自己的看法有点太片面，课程设计不仅是对前面知识的一种检验，也是对自己的一种提高，通过这次课程设计使自己明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的东西还很多，通过这次课设明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。
在这次课程设计的过程中，我得到了许多人的帮助。
正是由于这些帮助，让我解决了不少不太明白的设计难题，让我把系统做得更加完善，使得我能顺利完成这次课程设计。
参考文献
[1]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.国防工业出版社，1999.
[2]孙传友、孙晓斌.感测技术基础.电子工业出版社，2004.
[3]赵负图.传感器集成电路手册，化学工业出版社，2002.
[4]〔美〕赛尔吉欧·佛朗哥.西安交通大学出版社，2009.
[5]何希才、薛永毅.传感器及其应用实例.机械工业出版社，2004
[6]彭军.运算放大器及其应用.科学出版社，2008.
[7]常华、袁刚、常敏嘉.仿真软件教程——Multisim和Matlab.清华大学出版社，2006.
升级会员 