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1、课 程 设 计 说 明 书热 电 偶 温 度 传 感 器学院名称： 核工程与地球物理学院 专业班级： 测控技术与仪器 学生姓名：程琳 201120120205洪运 201120120206万宇轩 201120120207彭磊 201120120208指导教师姓名：谢军2013 年 12 月 3 日目录前言 .3第一章 基本原理 .41.1 热电效应及其工作定律 .41.2 热电偶材料 .51.3 电路结构设计 .6第二章 测量数据与分析 .8第三章 热电偶温度传感器课程设计总结 .11第四章 致谢 .12参考文献 .13 前言传感器作为测控系统中对象信息的入口，它在现代化事业中的重要性已越益为
2、人们所认识。随着“信息时代”的到来，国内外已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。传感器技术是以传感器为核心论述其内涵，外延的科学；也是一门涉及测量技术，功能材料，微电子技术，精密与微细加工技术，信息处理技术和计算机技术等相互结合形成的密集型综合技术。热电式传感器是利用转换元件电磁参量岁温度变化的特性，对温度和温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转化为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。这两种热电式传感器在工业生产和科学研究工作中已得到广泛使用，并有相应的定型仪表可供选用，以实现温度检测的显示和记录。本次的课程设计是热电偶温度传感器，热电偶传感器
3、是目前测温度中应用最广泛的热电式传感器，具有结构简单，制造方便，测温范围宽，热惯性小，准确度高，输出信号便于远传等优点。设计要求：制作出热电偶传感器的信号处理电路，热电偶信号直流放大电路。将输出信号送入液晶显示器，是液晶显示器的温度为被测温度。第一章 基本原理1.1 热电效应及其工作定律1.热点效应将两种不同性质的导体 A、B 组成闭合回路，若节点（1）、（2）处于不同的温度时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。分析表明，热电效应产生的热电势有接触电势和温差电势两部分组成。图（1-1）两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生
4、电子迁移扩散，当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。EAB（T）=(kT/e)ln(N A/NB)(1-1)对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，是单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温差有关。E（T,T）= (1-2)Tod2.工作定律端温（1）中间导体定律 导体 A、B 组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两度相同，则对回路总热电势无影响。图（1-2）(2)式（1-3 ）为中间温度定律的数学表达式，即回路的总热电势等于 EAB（T, Tn）与 E AB（T n，T 0）的代数和。T n称为
5、中间温度。图（1-3）EAB（T,T n,T0）=E AB（T，T n）+E AB（T n，T 0）.(1-3)1.2 热电偶材料1.标准化热电偶 指已经国家定型批生产的热电偶。常用的材料如：铂铑-铂热偶丝，镍铁-镍铜热电偶丝，镍铬 -镍硅热电偶丝，铜 -康铜热电偶丝，镍铬-金铁低温热电偶丝等。2.非标准化热电偶 指特殊用途试生产的热电偶。如：钨铼系、铱铑系、镍铬-金铁、双铂钼等热电偶。3.热电偶的结构形式 图（2-1） 普通型热电偶1.3 电路结构设计1. 热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图（3-1）为典型的热
6、电偶测温线路。如用一台显示仪表显示多点温度时，可按图（3-1）连接，这样可节约 1.热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套显示仪表和补偿导线。图（3-1）热电偶测温典型电路2.特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图（3-2）所示 （a）热电偶串联电路 （b ）热电偶反向串联电路 （c）热电偶并联电路图（3-2）3.由于热电偶自身产生的电压很小，不利于普通电表的测量，所以
7、要对其进行放大处理，根据各方面要求选用 LF236N 运放。图（3-3）即是该运放的结构图。图（3-3） 4.运放器在使用前必须进行调零，否则其放大倍数不再准确。运放的调零电路如图（3-4） 图（3-4）5.根据多次实验测量分析可知将由热电偶获得的电压信号放大 200 倍最合适。第二章 测量数据与分析1.下表 4-1 是由以上原理设计制作出的热电偶温度传感器测得的数据。测量的温度值 输出值/mv 热电偶电压值/mv2223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666
8、7686970717273747576777879808182 83 84 85表 4-12.表 4-1 中的数据经 MATLAB 软件处理得图（4-2）3.据以上数据及图形显示，可以判断是 K 型热电偶温度传感器。K型 热 电 偶 和 其 它 的 工 作 原 理 相 同 ， K型 热 电 偶 是 以 镍 铬 合 金 为 正 极 ，镍 硅 合 金 为 负 极 的 两 导 体 的 一 端 焊 接 而 成 的 。 这 两 根 导 体 的 焊 接 端 称 为 K型的 热 电 极 ， 其 焊 接 端 为 热 端 ， 非 焊 接 端 为 冷 端 。 在 进 行 温 度 测 量 时 ， 将 插 入被 测
9、的 物 体 介 质 中 ， 使 其 热 端 感 受 到 被 测 介 质 的 温 度 ， 其 冷 端 置 于 恒 定 的 温度 下 ， 并 用 连 接 导 线 连 接 电 气 测 量 仪 表 。 由 于 两 端 所 处 的 温 度 不 同 ， 在 回 路中 就 会 产 生 热 电 势 ， 在 保 持 冷 端 温 度 不 变 的 情 况 下 ， 产 生 的 热 电 势 只 随 其 热端 温 度 而 变 化 ， 因 此 ， 用 电 气 测 量 仪 表 测 得 热 电 势 的 数 值 后 ， 便 可 求 出 对 应的 温 度 数 值 。K型 热 电 偶 是 一 种 能 测 量 较 高 温 度 的 廉
10、价 热 偶 。 由 于 这 种 合 金 具 有 较 好的 高 温 抗 氧 化 性 ， 可 适 用 于 氧 化 性 或 中 性 介 质 中 。 K型 热 电 偶 测 温 范 围 可 长期 测 量 1000度 的 高 温 ， 短 期 可 测 到 1200度 。 它 不 能 用 于 还 原 性 介 质 中 ， 否则 ， 很 快 腐 蚀 ， 在 此 情 况 下 只 能 用 于 500度 以 下 的 测 量 。 它 比 S型 热 偶 要 便宜 很 多 ， 它 的 重 复 性 很 好 ， 产 生 的 热 电 势 大 ， 约 为 0.041mV/度 ， 因 而 灵 敏 度很 高 ， 而 且 它 的 线 性
11、很 好 。 虽 然 其 测 量 精 度 略 低 ， 但 完 全 能 满 足 工 业 测 温 要求 ， 所 以 它 是 工 业 上 最 常 用 的 。 k型 热 电 偶 I级 精 度 要 求 为 正 负 0.4%t,II级 精 度 要 求 为 正 负0.75%t， K型 热 电 偶 在 火 电 厂 里 应 用 很 多 ， 表 示 热 电 极 材 料 ： 镍 铬 镍 硅 。第三章 热电偶温度传感器课程设计总结经 过 这 十 天 传 感 器 课 程 设 计 ， 我 不 仅 加 深 了 理 论 知 识 的 理 解 ， 更 提 高 了我 将 理 论 应 用 于 实 际 中 的 能 力 。 这 几 天 的
12、 学 习 与 制 作 是 我 深 切 体 会 到 了 传 感器 在 生 活 与 生 产 中 的 作 用 地 位随着“信息时代”的到来，国内外已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。传感器技术是以传感器为核心论述其内涵，外延的科学；也是一门涉及测量技术，功能材料，微电子技术，精密与微细加工技术，信息处理技术和计算机技术等相互结合形成的密集型综合技术。而 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 。我 相 信 在 未 来 的 科 技 领 域 中 传 感 器 的 应 用 显 得 尤 为 重 要 。第四章 致谢经过本课程设计，我学到了许多（不管是理论知识还是动手能力），也从中体验到很多乐趣。设计过程中虽然遇到了许多困难，也意识到自己知识上的缺陷，但都在老师和同学的帮助下顺利解决，因此，非常感谢他们一直以来的指导和帮助。首先感谢老师：在此，要对他的细心帮助和指导表示由衷的感谢。在这段时间里，我从他身上不仅学到了许多的专业
