K型热电偶传感器课程设计报告Word文档下载推荐.docx
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输出分为两路：
一路是0～600℃对应的输出电压为0～6V；
另一路是600～1200℃对应的输出电压为6～12V。
三、设计目的
1、掌握传感器选择的一般设计方法；
2、掌握模拟ＩＣ器件的应用；
3、掌握测量电路的设计方法；
4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力。
四、设计要求及技术指标
1、设计、组装、调试；
2、温度测量范围：
0～1200℃；
3、使用环境温度范围：
0～85℃；
4、输出电压：
0～600℃为0～6V；
5、测温误差：
≤±
0.5％；
6、具有温度补偿功能；
7、具有非线性补偿功能。
五、设计所用仪器及器件
1．直流稳压电源
2．双踪示波器
3．万用表
4．运放AD648，AD595，AD538
5．电阻、电容若干
6．K型热电偶传感器
7．万能电路板
8．电烙铁等
六、日程安排
1．布置任务、查阅资料，方案设计；
（2天）
根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出电路图。
2．上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试；
（2天）
要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。
3．电路的装配及调试；
（3天）
在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。
4．总结撰写课程设计报告。
（1天）
七、课程设计报告内容：
总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：
1．课程设计的目和设计的任务
2．课程设计的要求及技术指标
3．总方案的确定并画出原理框图。
4．各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性（结合设计图写）
5．总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。
6．电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。
7．实验结果分析，改进意见及收获。
8．体会。
八、电子电路设计的一般方法：
1．仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。
（1）设计总体方案。
（2）设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案
（3）计算电路（元件）参数。
（4）绘制总体电路初稿
（5）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。
（6）绘制总体电路。
2．明确电路图设计的基本要求进行电路设计。
并上机在EDB（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。
3．掌握常用元器件的识别和测试。
电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。
需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。
对于常用元器件，不少手册有所介绍。
4、熟练使用仪表，了解电路调试的基本方法。
通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。
5、独立撰写课程设计报告。
第二部分
课
程
设
计
报
告
1课题简介……………………………………………………………………
（1）
1.1基于K型热电偶传感器测量电路设计简介…………………
（1）
1.2K型热电偶概述…………………………………………
（1）
1.3K型热电偶特点…………………………………………
（1）
1.4K型热电偶分度表………………………………………
（2）
2设计的目的及任务…………………………………………………………（3）
2.1课程设计的目的………………………………………………（3）
2.2课程设计的任务………………………………………………（3）
2.3课程设计的技术指标…………………………………………（3）
3电路设计总方案及原理框图………………………………………………（4）
3.1电路设计原理框图……………………………………………（4）
3.2电路设计方案设计……………………………………………（4）
4各部分电路设计……………………………………………………………（9）
4.1反相放大器……………………………………………………（9）
4.2反相加法器……………………………………………………（9）
4.3零点补偿及放大电路…………………………………………（10）
4.4非线性校正电路………………………………………………（10）
4.5总电路图………………………………………………………（12）
5电路的安装与调试…………………………………………………………（13）
5.1电路的安装与调试……………………………………………（13）
5.2调试中遇到的问题及解决的方法……………………………（13）
5.3调试中遇到的问题及解决的方法……………………………（13）
6电路的实验结果……………………………………………………………（14）
7实验总结……………………………………………………………………（15）
8仪器仪表明细清单…………………………………………………………（16）
参考文献………………………………………………………………………（17）
1.课题简介
1.1基于K型热电偶传感器测量电路设计简介
1.2K型热电偶概述
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。
镍铬-偶（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：
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。
1.3K型热电偶特点
1.3.1检出（测）元件热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。
必须配二次仪表，其优点是：
①测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
②测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
③构造简单，使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
1.3.2根据温度测量范围及精度，选用相应分度号的热电偶、使用温度在1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；
要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶；
使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；
在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400℃一般用E型热电偶；
250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。
1.4K型热电偶分度表
温度单位：
℃电压单位：
（mV）参考温度点：
0℃（冰点）
ITS-90国际温度标准（JISC1602-1995,ASTME230-1996,IEC584-1-1995）
2.设计的目的及任务
2.1课程设计的目的
2.1.1掌握传感器选择的一般设计方法
2.1.2掌握模拟IC器件的应用
2.1.3掌握测量电路的设计方法
2.1.4培养综合应用所学知识来指导实践的能力
2.2课程设计的任务
设计基于K型热电偶传感器的测量电路
2.3课程设计的技术指标
2.3.1设计、组装、调试
2.3.2温度测量范围：
0～1200℃
2.3.3使用环境温度范围：
0～85℃
2.3.4输出电压：
0～600℃为0～6V
2.3.5测温误差：
0.5％
2.3.6具有温度补偿功能
2.3.7具有非线性补偿功能
3．电路设计总方案及原理框图
3.1电路设计原理框图
3.2电路设计方案设计
3.2.1方案一
零点补偿、放大和非线性校正电路见图3-1。
由图可见，它由热电偶的零点补偿、放大和非线性校正两部分组成。
（1）零点补偿及放大电路该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电偶专用集成芯片AD595组成。
热电偶或通过补偿导线插入CN插座的+IN和－IN即可。
由AD595完成零点补偿和放大任务，其输出与输入的关系为：
Vo=249.952Vi
式中，Vi是热电偶的输出热电动势。
此外，AD595还具有热电偶断偶报警功能。
热电偶断线时，由12脚输出报警信号，晶体管VT导通，发光二极管点燃。
（2）非线性校正电路热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：
Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn（3-1）
式中，a0为零点输出；
a1为灵敏度；
a2，a3，…，an为非线性项系数。
a0，a1，a2，a3，…，an可由最小二乘法或计算机程序求出。
K型热电偶的高阶多项式（3-1），经计算可用下式表示：
0~600℃
（3-2）
600~1200℃
（3-3）
非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式（3-2）和式（3-3）。
它可由平方器和加法器来完成。
由图3-1可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算：
（3-4）
式中，m=0.2~5，可通过不同接线取得不同的m值。
AD538的B（3脚）和C（12脚）相连，则m=1。
由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式（3-4）为：
（3-5）
从而实现了平方运算。
温度在0~600℃范围时，由A1和A2实现式（3-2）的运算：
由A1和A2完成一次系数1.009534的运算，其中A1是反相输入的放大器，A2是反相输入的加法器。
A1的输出为Vo1：
调整多圈电位器RPl可使Vo1=－1.009534Va。
A2的一条支路R6与R3组成一个系数为（－1）的支路。
它将Vo1转换成Vo’=1.009534Va。
R6与R4组成Va的二次系数支路
R6与R5组成常系数－11.4的偏置电路，其输出为：
由叠加定理可得：
上式与式（3-2）大体相同。
若R4和R5用多圈电位器可调整到与式（3-2）完全相同。
温度在600~1200℃范围内用式（3-3）来线性校正。
该式的运算由A3和A4完成，其中A4是放大倍数为－1的反相放大器。
其分析方法与式（3-2）相同。
0~600℃和600~1200℃的输出电压Vo分别为0~6V和6~12V，灵敏度为10mV／℃。
该电压可通过转换开关输入到A／D转换器和进行数字显示。
A3A4
图3-1方案一原理图
3.2.1方案二
零点补偿、放大和非线性校正电路见图3-2。
Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn（3-6）
（3-7）
（3-8）
非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式（3-7）和式（3-8）。
由图3-2可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算：
（3-9）
由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式（3-9）为：
（3-10）
温度在0~600℃范围时，由A1和A2实现式（3-7）的运算：
上式与式（3-7）大体相同。
若R4和R5用多圈电位器可调整到与式（3-7）完全相同。
温度在600~1200℃范围内用式（3-8）来线性校正。
其分析方法与式（3-7）相同。
图3-2方案二原理图
4各部分电路设计
4.1反相放大器
图4-1
反相放大器如图4-1所示，开环增益
，即
；
其中平衡电阻R3=R1//R2。
4.2反相加法器
图4-2
反相加法器如图4-2所示，
平衡电阻R=R1//R2//Rf。
4.3零点补偿及放大电路
该电路由美国模拟器件公司新近生产的K型热电偶专用集成芯片AD595组成。
如图4-3所示。
图4-3零点补偿及放大电路
4.4非线性校正电路
热电偶的热电动势Vi与温度t不成线性关系，可用下式表示：
Vi=a0+a1t+a2t2+…+antn（4-1）
K型热电偶的高阶多项式（4-1），经计算可用下式表示：
（4-2）
（4-3）
非线性校正的关键是如何通过电路的运算实现式（4-2）和式（4-3）。
由图4-4可见，AD538AD组成了乘除器，它有三个输入端子Vx、Vy和Vz，且能完成下列运算：
（4-4）
由于Vy和Vz的输人为Va，15脚与4脚连接，AD538AD内部基准电压由4脚输出电压10V，故Vx=10V，因此式（4-4）为：
（4-5）
温度在0~600℃范围时，由A1和A2实现式（4-2）的运算：
图4-4非线性校正电路
4.5总电路图
图4-5总电路图
5电路的安装与调试
5.1K型热电偶传感器测量电路的安装
1.把将一块14脚的底座插入面包板，注意布局；
2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；
3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。
4.注意三极管的各管脚的接线
5.注意二极管极性，不能焊错
6.线要尽量贴住电路板，线要布置工整
5.2K型热电偶传感器测量电路的调试
1.将测温电路放入100℃的水中，放置一段时间
2.插入温度计观测水的温度是否为100℃
3.调节电位器，使得输出电压为1.0000V
4.停止加温，使水缓慢降温，观测温度计和电压表，是否温度每降1℃，电压下降0.01左右
5.电路调试完毕
5.3调试中遇到的问题及解决的方法
电路调试中出现在100℃时，电位器调到最大，电压也还没达到1V的问题，检查电路无误后，我认为是因为实验时用的9.1KΩ的电阻代替9.4KΩ的电阻，使得常数项的电压不够，所以我将9.1K的电阻换成了10K的，问题顺利解决
6电路的实验结果
摄氏度/℃
电压/V
100
0.999
58
0.616
28
0.299
98
0.9806
56
0.583
27
0.2874
96
0.9637
54
0.5602
26
0.2781
94
0.9415
52
0.5435
25
0.2672
92
0.922
50
0.525
24
0.259
90
0.9089
48
0.495
23
0.2503
88
0.8909
46
0.4755
22
0.242
86
0.8722
44
0.45
21
0.2334
84
0.855
42
0.4301
20
0.2235
82
0.838
40
0.417
19
0.2089
80
0.8175
39
0.4048
18
0.2003
78
0.794
38
0.3967
17
0.1912
76
0.777
37
0.3861
16
0.1798
74
0.7589
36
0.3768
15
0.1723
72
0.7396
35
0.3675
14
0.1637
70
0.7201
34
0.358
13
0.1507
68
0.7013
33
0.3462
66
0.6805
32
0.3374
64
0.6683
31
0.3256
62
0.65
30
0.3167
60
0.6332
29
0.3078
7收获与体会
经过一周的课程设计的学习，我已经成功的制作出自己的K型热电偶传感器测量电路，内心感到十分的愉悦。
刚开始我对这个东西一窍不通，于是我借来了一份K型热电偶传感器测量电路原理图准备抄抄了事，但在电脑验证的时候漏洞百出，我就放弃抄袭别人构思的想法，后来到网上搜索了一下相关内容，顺便到学校图书馆借相关书籍，经过和我的搭档的研究和讨论，最终确定了K型热电偶传感器测量电路原理图。
第一天晚上在做电路设计，大概是模电学的很好，很快就全部弄明白了，很快就设计好了
接下来，开始了电路焊接阶段。
之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，我觉得自己很在行很专业，一定又快又好，但实际焊接起来才觉得难度还是不小的，要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，而且线多焊点多，增加了很大的难度。
为了使布置美观、简洁，还真是费了我们不少精力，也观摩了别人的设计才想出来的的。
我连夜赶工才把它焊好了，最终电路的视觉效果还比较另人满意的。
谁知原本定在第三天的调试，因为器件未到位的原因足足让我们等了一个星期，器件一到很快我们小组就完成了，很开心，模电的知识又再一次加深了印象，通过这次课程设计，我明白了一个好搭档的重要性，因为从头到尾，都是我和我的搭档共同完成，来解决中间出现的各种问题。
从原理图的最终确定，到焊接与调试都是我们共同完成的，是因为我们的默契，每项工作都完成得很快很好，才使我们率先完成了任务。
尽管现在只是初步学会了K型热电偶传感器测量电路设计，但课程设计的这段日子还
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