热电偶传感器电路设计研究.docx
热电偶温度传感器信号调理电路设计与仿真详解
目录第1章绪论 (1)1.1 课题背景与意义 (1)1.2 设计目的与要求 (1)1.2.1 设计目的 (1)1.2.2 设计要求 (1)第2章设计原理与内容 (2)2.1 热电偶的种类及工作原理 (3)2.1.1热电偶的种类 (3)2.1.2工作原理分析 (4)2.2 设计内容 (4)2.2.1 总体设计 (4)2.2.2 原理图设计 (5)2.2.3 可靠性和抗干扰设计 (7)第3章器件选型与电路仿真 (8)3.1 器件选型说明 (8)3.2 电路仿真 (8)第4章设计心得与体会 (9)参考文献 (10)附录1：电路原理图 (11)附录2：PCB图 (11)附录3：PCB效果图 (11)第1章绪论1.1 课题背景与意义温度是一个基本的物理量，在工业生产和实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。
本设计中正是关于温度的测量，采用热电偶温度测量具有很多的好处，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
同时，热电偶作为有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常在日常生活中被应用，如测量炉子，管道内的气体或液体温度及固体的表面温度。
热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。
热电偶可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。
1.2 设计目的与要求1.2.1 设计目的(1) 了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路）；(2) 了解印刷电路板的设计和制作过程；(3) 掌握电子元器件选型的基本原理和方法；(4) 了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧；(5) 掌握热电偶温度传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。
1.2.2 设计要求选用热电偶温度传感器进行温度测量，要求测温范围100-300℃、精度为0.1℃。
热电偶温度传感器实验报告
热电偶温度传感器实验报告
实验目的及要求：了解K型热电偶得特性与应用
实验仪器设备：智能调节仪、PT100、K型热电偶、温度源、温度传感器实验模块
实验原理，热心偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝尔效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为7，另一端温度为z，则回路中就有电流产生，即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。
当回路断开时，在断开处a.6之向评有一长不.c性和最
值与回路中的热电势一致，并规是茬冷璃，当电赞面秀发向B时，称A为正极,B为负极，实验表明，当与较小时，g-S(T-T)（s是热电势率）。
热电偶基本定律：组成的闭合回路，不论导体的
（1）均质被立铁和长修水11不能各处的温度如何，都不能产生电动预览与源文档一致下载高清无水印势。
（2）中间导体定律：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体对热电偶回路总热电势E （7T)没有影响。
热电偶温度传感器设计报告样本
传感器课程设计设计题目: 热电偶温度传感器12月30日目录1.前言 (3)2.方案设计及论证 (4)3.设计图纸 (9)4.设计心得和体会 (10)5.重要参照文献 (11)一、前言随着信息时代到来, 传感器技术已经成为国内外优先发展科技领域之一。
测控系统设计普通是从对象信息有效获取开始不同种类物理量不但需要不同种类传感器进行采集, 并且因信号性质不同, 还需要采用不同测量电路对信号进行调理以满足测量要去。
因而, 触感其与检测技术在当代测量与控制系统中具备非常重要地位。
而在所有传感器中, 热电偶具备构造简朴、合用温度范畴广、使用以便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点, 惯用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小构造测温场合。
因而, 咱们想设计一种热电偶传感器可以在低温下使用, 可以合用于实验和科研中, 测量为温度范畴：-200 ℃ ~500 ℃, 电路不太复杂简易热电偶温度传感器, 考虑到制作材料相对便宜, 咱们选取了铜-铜镍（康铜）。
在选取测量电路时, 咱们从简朴, 符合测量范畴规定及热电偶技术特性, 咱们采用了AD592对T型热电偶进行冷结点补偿电路。
这种型号电路容许误差（0.5 ℃或0.004x|t|）相对于其她类型热电偶具备测量温度精度高, 稳定好, 低温时敏捷度高, 价格低廉。
能较好满足测量范畴。
热电偶同其他种温度计相比具备如下特点：a、长处·热电偶可将温度量转换成电量进行检测, 对于温度测量、控制, 以及对温度信号放大、变换等都很以便,·构造简朴, 制造容易,·价格便宜,·惰性小,·精确度高,·测温范畴广,·能适应各种测量对象规定（特定部位或狭小场合）, 如点温和面温测量,·适于远距离测量和控制。
b、缺陷·测量精确度难以超过0.2℃,·必要有参照端, 并且温度要保持恒定。
测控K型热电偶传感器测量电路设计
测控K型热电偶传感器测量电路设计K型热电偶传感器是一种常用的温度测量传感器。
它由两种不同金属（通常是镍铬合金和铜镍合金）的导线连接而成，当被测物体的温度发生变化时，金属之间会产生温差，从而产生微弱的电压信号。
本文将介绍K型热电偶传感器测量电路的设计原理和步骤。
1.测量电路的基本原理K型热电偶传感器的电压信号范围一般在-50mV～50mV之间，因此在测量电路中需要用到放大器对信号进行放大。
同时，由于信号范围较小，对信号的放大倍数要求较高，所以选择合适的放大器非常重要。
2.选择放大器在选择放大器时，需要考虑其增益范围和输入电压范围。
对于K型热电偶传感器的信号放大，一般选择差分放大器。
差分放大器有两个输入端和一个输出端，能够将输入信号的差值放大至输出端。
3.放大电路设计在放大电路的设计中，需要确定放大倍数。
一般情况下，放大倍数为1000左右，这样可以保证足够的信噪比，并使得测量结果更精确。
同时，为了保证放大器的线性范围，需要选择合适的电源电压以及放大器的工作点。
4.滤波电路设计由于测量环境中可能存在一些噪声信号，为了提高测量精度，通常需要加入滤波电路。
滤波电路可以滤除高频噪声信号，使得传感器的输出信号更加稳定。
选择合适的滤波器类型和参数对滤波效果至关重要。
5.校准电路设计由于传感器存在一定的误差，需要进行校准来提高测量精度。
校准可以通过与标准温度源对比，测量不同温度下的热电势，调整测量电路的放大倍数以及消除偏差。
以上是K型热电偶传感器测量电路设计的基本原理和步骤。
根据实际要求，可以根据芯片手册和相关数据手册选择适合的放大器和滤波器，进行具体的电路设计。
同时，在电路设计的过程中需要考虑信号的放大倍数、灵敏度、工作频率范围以及其他相关参数，以保证测量结果的准确性和稳定性。
热电偶传感器应用设计报告
热电偶传感器应用设计报告1.设计题目：热电偶测温性能2.设计要求：要求利用热电偶传感器测量50℃~100℃之间温度。
3.热电偶传感器的原理：当两种不同的金属组成回路，产生的二个接点有温度差，会产生热电势，这就是热电效应。
温度高的接点就是工作端，将其置于被测温度场配以相应电路就可间接测得被测温度值。
4.设计所需元器件：热电偶、K型、E型、加热源、温度控制仪、数显单元。
5.设计的测量电路图：图16.调试过程及结果分析：1、将K型热电偶插入到主控板上用于温度设定。
2、将E型热电偶插入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端。
将a、b端与R5、R6相接。
3、设定温度值t＝50℃。
将R5、R6短路接地，接入±15V电源，打开主控箱电源开关调节R W3使U O2为零（见上图），将U O2与数显表单元上的U i相接。
调R W3使数显表显示零位，主控箱上电压波段开关拨到2V档。
4、去掉R5、R6短路接线，将a、b端与放大器R5、R6相接，调R W2，将信号放大到比分度值大10倍的毫伏值。
5、在50℃到100℃之间设定Δt＝5℃。
读出数显表头输出电势与温度值，并记入下表7.思考题：1. 通过温度传感器的三个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？答：热电阻：铂电阻测温范围-200℃~+850℃铜电阻测温范围-50℃~+150℃。
热电偶-50℃~+1600℃，配用特殊材料热电极，可是范围扩大-180℃~+2800℃2.能否用集成温度传器将设计一个测－50℃－＋50℃的数字温度计？答：能。
集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于－50℃－＋150℃之间温度测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极――发射极电压与温度成线性关系。
为克服温敏晶体管U b电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。
温度传感器—热电偶测温实验
温度传感器—热电偶测温实验一、实验原理：由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路，当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。
图1 热电偶测温系统图图1中T 为热端，To 为冷端，热电势Et=)T ()T (o AB AB本实验中选用两种热电偶镍铬—镍硅（K ）和镍铬—铜镍（E ）。
实验所需部件：K 、E 分度热电偶、温控电加热炉、214位数字电压表（自备） 二、实验步骤：1、观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理。
温控器：作为热源的温度指示、控制、定温之用。
温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。
温度设定：拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值℃随之变化，调节至实验所需的温度时停止。
然后将拨动开关扳向“测量”侧，（注：首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲）。
2、首先将温度设定在50℃左右，打开加热开关，热电偶插入电加热炉内，K 分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E 分度热电偶接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶，214位万用表置200mv 档，当钮子开关倒向“温控”时测E 分度热电偶的热电势，并记录电炉温度与热电势E 的关系。
3、因为热电偶冷端温度不为0℃，则需对所测的热电势值进行修正E （T ，To ）=E(T,t 1)+E(T 1,T 0)实际电动势＝测量所得电势 ＋温度修正电势查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。
4、继续将炉温提高到70℃、90℃、110℃和130℃，重复上述实验，观察热电偶的测温性能。
三、注意事项：加热炉温度请勿超过150℃，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。
热电偶 温度传感器的设计
—现代检测技术课程
主要内容
热电偶的基本原理；
热电偶的种类；
热电偶测温补偿方法； 变送器的实现；
1.热电偶的基本原理
工作原理：
热电势效应(赛贝克效应) 两种不同材料的导体 A 与 B，按图所示的组合在一 起，如果两结点的温度不同，则在回路中就会有电 势产生，其电势（电流）的大小与两导体的性质和 结点的温度有关。这种现象称为热电势效应。
就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。
该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际 热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温 度不为0℃的热电势进行修正。
标准导体（电极）定律
T0 T0 T0
A
C
B
C
A
B
T
T
T
EAB (T , T0 ) EAC (T , T0 )－EBC (T , T0 )
4.热电偶温度变送器的实现
热电偶冷端补偿及放大电路
热电偶V/I变换电路
铁
铜镍合金
J
铜－康铜
铜
铜镍合金
T
其中铂铑10-铂热电偶属于贵金属，它被规定为 630~1064℃的测温标准，但它的灵敏度较低（100 ℃ 时为0.643mv)； 镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）是非贵重金属中性能最稳定的 一种，因此应用最广。电极制作得较粗（约 3 mm）， 因而使用寿命长、强度高等。它的热电势也较高（100 ℃时为4.1mv)； 镍铬-康铜的热电势最大（ 100 ℃时为6.95mv),但它的 测量温度上限不高（ 900 ℃），电极材料的成分不容 易保证。
3. 热电偶的冷端温度补偿
热电偶电路设计方案
热电偶电路设计方案
热电偶是一种常用的温度测量传感器，它利用两种不同金属的
导线焊接在一起，根据两种金属在不同温度下产生的热电动势来测
量温度。
设计热电偶电路时，需要考虑以下几个方面：
1. 选择合适的热电偶类型，常见的热电偶类型包括K型、J型、T型等，每种类型的热电偶在不同温度范围内有不同的测量精度和
适用场合，需要根据具体的测量要求选择合适的类型。
2. 冷端补偿，热电偶测量温度差是相对于冷端参考温度的，因
此需要在电路中设计冷端补偿电路，以确保测量的准确性和稳定性。
3. 信号放大和处理，热电偶产生的热电动势较小，需要通过信
号放大电路放大信号，并进行滤波和线性化处理，以提高测量精度
和抗干扰能力。
4. 防护和屏蔽，热电偶电路需要考虑环境中的电磁干扰和噪声，可以采用屏蔽和防护措施，如金属屏蔽罩和滤波器，以提高抗干扰
能力。
5. 输出方式，根据实际需求，可以选择合适的输出方式，如模
拟电压输出、数字信号输出或者接口输出，以便与其他设备或系统
进行数据交换和处理。
总的来说，设计热电偶电路需要考虑选型、冷端补偿、信号处理、防护和输出方式等多个方面，以确保测量的准确性和稳定性。
在实际设计中，还需要根据具体的应用场景和要求进行定制化设计，以满足实际的测量需求。
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摘要本文以活塞发动机的气缸头温度的检测为例，详细介绍型热电偶传感器的工作原理。
在此基础上，本文给出了硬件电路设计，并建立了传感器数学模型。
通过试验证实，本文所提出的热电偶传感器调理电路可以满足使用要求。
关键词热电偶;气缸头温度;5901绪论气缸头温度是活塞发动机的重要工作参数，飞机在各种状态下气缸头温度都必须保持在合理的范围内如果气缸头温度过高，将导致气缸缸体损坏，致使发动机停车，严重危及飞机的飞行安全;如果气缸头温度过低，将导致飞机发动机动力不足。
本文利用型热电偶传感器来检测气缸头温度。
2气缸头温度检测要求实际使用中，针对气缸头温度信号的检测，通常要求如下1传感器输出信号传感器类型型热电偶;信号类型随温度缓慢变化的弱电压信号;信号阻抗20Ω～20Ω;引线类型两线制连接;信号范围－3．11～27．15;2解算后输出参数数字量－50℃～350℃;3允许误差常温±4℃，高低温±6℃。
3热电偶传感器机理分析热电偶是利用热电效应进行工作的测温元件，由两种不同导体半导体材料与串联组成的闭合电路。
若两个结点处于不同的温度和0，且＞0，则回路中就会有热电势产生，0。
其中、为热电极，温度为的结点成为热端，温度为0的结点称为
冷端。
试验证明，热电势，0的大小只与两种导体材料的性质和结点温度有关，而与导体材料、的中间温度无关。
若导体、材料选定，且冷端温度0=0℃，则热电势，0为热端的单值函数［1］。
因此，在冷端温度恒定的情况下，只要得到传感器输出的热电势，0，就可确定被测量温度。
图1为传感器检测连接图。
4硬件电路设计4．1总体设计产品中气缸头温度的检测电路包括信号调理电路与数字处理电路。
其中调理电路包括热电偶的信号调理和其冷端温度信号的调理。
系统框图见图2所示。
4．2调理电路设计及误差计算调理电路由匹配电路及放大电路组成。
在电路设计中，传感器输出的是毫伏级信号，经放大电路放大输出。
电路有断偶测试设计，可在断偶时保证输入输出稳定可靠。
调理电路见图3。
图3调理电路图1电路分析在图3的调理电路中，由于热电偶输出的热电势属于弱电压级信号，易受到电源射频干扰及噪声干扰，本文采用电阻Ｒ586、627并联接地与Ｒ587、628并联接地组成共模滤波电路，该电路可以避免高频共模噪声流入负载中经共模－差模转换
而对产品正常工作造成的影响。
630为差模电容滤波器，为了增强滤波效果，三个电容都需要采用高值、低损耗的陶瓷电容器。
505即仪用放大器620，由其配套器件组成放大电路，放大倍数由外接电阻Ｒ519决定，理想电路采用双电源±15供电。
由于其输入极采用-处理，可实现最大1．0的低输入电压噪声。
由于其体积小，功耗低，最大供电电流仅1．3，特别适合用于热电偶调理中。
Ｒ578、606构成一阶Ｒ低通滤波器，对放大以后的信号进一步滤波，截止频率设计为2左右。
通过设计，将后续隔离级电路517即运算放大器构成具有负反馈的电压跟随电路。
由于其电路输入阻抗高，输出阻抗低，电路用于阻抗匹配，增强电路带载能力。
513、551、521为瞬变抑制二极管，用于防雷设计。
2电路计算具体计算如下放大倍数=49．4Ｒ519+1=177．43取Ｒ519=137Ω;断偶时=10．6458，远高于正常值范围，可以有效的实现断偶检测。
一阶低通滤波电路截止频率为0=1Ｒ578×606×2π=2。
3误差计算及其它由于电阻值变化对放大倍数影响较大，因此需选用高精度及温度特性小的电阻。
在电路中电阻Ｒ519选取阻值偏差±0．1，电阻温度系数±15℃，
其余电阻选用阻值偏差±5，电阻温度系数±100℃即可满足设计要求。
根据设计电路，由电阻引起的误差为δ1=±［±0．12+±15×10－6×55+702］0．5=±0．11由放大电路620引起的误差为δ2=±0．7．跟随电路失调电压是μ级，误差可忽略不计，总的调理电路考虑线电阻误差为δ=±δ12+δ220．5=±0．71。
4降额设计该调理电路中，电阻功耗最大在Ｒ578处，为=2Ｒ=0．054。
在综合考虑电路电阻参数以及降低器件品种的前提下，其他电阻选取额定功耗为14的就完全可以满足要求。
620供电要求为±2．3～±18，为了满足测量范围，实际供电在±15±0．15，且输入信号满足－12．9～+13．6，完全满足620使用要求。
当未接传感器或传感器有开路时，620输出范围为－13．4～13．5，跟随电路200输入电压范围－13～13，为了保证运放可靠工作，选取硅电压调整259稳压全温最大稳压值在+11．8，在620输出为负电压时259正向导通，使其输出通过Ｒ5823限流在4．24，完全保证620输出短路电流小于18的要求。
5建立数学模型热电偶传感器的温度特性曲线是非线性的，采用一般方法难以满足气缸头温度设计要求。
为了减少温度误差，本文将采用最小二乘法原理对热电偶的温度与热电势的关系曲线=建立数学模型。
用最小二乘法对热电偶分度表进行曲线拟合，拟合温度范围从－
50℃到热电偶所能测量的最高温度350℃，拟合结点的间隔为1℃。
设温度与热电动势之间的函数关系为=，取==0，1，2，…，与相对应的热电动势为可由热电偶分度表查得。
由此得到一组数据0，0，1，1，2，2，…，，。
考虑用多项式作为拟合函数，用最小二乘法对上述+1个结点进行拟合，所得的次多项式作为函数=的近似表达式，即=≌=0+1+22+…+=∑=01式子中，为常数。
根据最小二乘法原理，即要确定式1中=0，1，2，…，，使在=0，1，2，…，各点处，对的误差平方和为最小，即Ｒ=∑=0［－］2=∑=0［∑=0－］22并要求Ｒ，1，2，…，3将2式代入3式可得Ｒ［∑=0－］Ｒ［∑=0－］Ｒ［∑=0－］1=04将式4改写成矩阵形式
解出式5中的0，1，……，，代入式1中，得=≌=∑6式6为所求的由热电动势计算温度的近似公式，其中∑为∑=0。
采用乔列斯基法解方程组5，可得到以下系数0=－0．089944136;1=15．474242;2=－0．17179932;3=0．0036226888;4=－2．9312449－05。
6小结本文介绍型热电偶传感器的工作原理，给出了相应的硬件检测电路和相应的数学模型。
通过试验证实，此检测电路满足使用要求。
参考文献［1］郭爱芳，王恒迪．传感器原理及应用［］．西安西安电子科技大学出版社，2007．［2］魏可臻，张奇．热电偶热传导测温中的动态响应时间和误差估计［］．测试技术学报，2007611．作者杨朋樽单位航空工业太原航空仪表有限公司。