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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人们所认识。随着“信息时代”的到来，国内外已
2、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，热电偶传感器是目前测温度中应用最广泛的热电式传感器，
3、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，在结点处就会发生电子迁移扩散，当扩散达到平衡时，在两种金属的
4、接触处形成电势，称为接触电势。EAB（T）=(kT/e)ln(NA/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)2.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 EAB（Tn，T0）的代数和。Tn称为中间温度。 图（1-3）EAB（T,Tn,T0）=EAB（T，Tn）+
5、EAB（Tn，T0）.(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
6、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
7、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/mv22232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182 83 84 85 表4-12.表4
8、-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
9、较高温度的廉价热偶。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
10、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
11、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知识，更感受到了他们工作中的兢兢业业，生活中的平易近人。此外，他严谨的治学态度和忘我的工作精神值得我去学习。在我本次的课程设计中，他的指导给予了我极大的帮助，使我对整个课程设计的思路有了总体的把握，并耐心的帮我解决了许多实际问题，使我有了很大收获。并在整个开发过程中提出了许多建设性意见，并给我解决了一些专业性问题。感谢给与我帮助的其他成员，他们在我的课程设计过程中经常给我提出许多关键性的问题，使我受益匪浅。 参考文献传感器应用电路300例电子工业出版社 孙余凯 吴敏山编著传感器应用店里设计与制作科学出版社 松井邦彦著 梁瑞林译 传感器原理设计与应用国防科技大学出版社 刘迎春 叶湘彬编著模拟电子技术东南大学出版社 成立 杨建宁编著
