传感器论文

学生签字： 接受任务日期： 2015 年 11 月 13 日
一、设计原始依据：
温度是最基本的环境参数，人们的生活和温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测 量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置有重要的意义。 测温传感器种类繁多，其中热电偶是一种性能良好的测温传感器，与其他传感器相比具有测 温范围宽现行度好等特点，其输出输出是毫伏级信号，变送器可以将其变换成 4~20mA 的电 流信号以便远距离传输和计算机采集。 二、设计内容和要求： 设计一台由 XTR101 组成的二线制温度变送器，测温传感器采用镍铬-镍硅热电偶（K 型）
天津城建大学
设计任务书
计算机与信息工程 学院 电子信息工程 专业 12 电信 1、2 班 设计题目：设计由镍铬-镍硅热电偶（K 型）与 XTR101 组成的二线制温度变送 器
完成期限：自 2015 年 11 月 15 日至 2014 年 11 月 30 日止
指导 教 师：
教研室主任：
院
长：
批 准 日期：
（2）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中。
3.2 设计构架
（1）设计要求 整套系统要求在 0～100℃范围对应输出 4mA～20mA 的电流型温度变送器。 在实际的工业化需求中，往往需要设计为标准信号的变送器，以便与仪表和 后续接口电路兼容。在输出为模拟信号时，有电压型和电流型两种变送器。电压 型变送器的输出为 0～5v，虽然其在信号处理方面具有优势，但抗干扰能力较差， 在远距离传输时信号衰减大，而电流型变送器却在这方面独具优势。因此在工业 实践中得以广泛应用。 通常，电流型变送器有输出 0～20mA 和 4～20mA 两种。对于输出 0～20mA 的变送器，虽然电路调试及数据处理都比较简单。但对于输出 4～20mA 的变送器，
温度 0~1000℃
信号采集 K 型热电偶， 采集温度
信号处理 XTR101 放大变换 铜电阻 温度补偿
测量标准的 电信号 （4~20mA）
恒流源供电
图 2.2 变送器原理框图
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第三章 课程设计的主要内容
3.1 热电偶的选择
热电偶是工业上广泛使用的温度传感器，它最大的优势就在于温度测量范围 极宽，理论上从-270℃的极低温度到 2800℃的超高温度都可以测量，并且实际 应用中在 600℃-2000℃的温度范围内可以进行最精确的温度测量。在化工、石 油、电力、冶炼等行业的自动化控制系统中热电偶发挥着对温度的监控作用。热 电偶主要有以下几种标准化的型号： ⑴（S 型热电偶）铂铑 10-铂热电偶 ⑵（R 型热电偶）铂铑 13-铂热电偶 ⑶（B 型热电偶）铂铑 30-铂铑 6 热电偶 ⑷（K 型热电偶）镍铬-镍硅热电偶 ⑸（N 型热电偶）镍铬硅-镍硅热电偶 ⑹（E 型热电偶）镍铬-铜镍热电偶 ⑺（J 型热电偶）铁-铜镍热电偶 ⑻（T 型热电偶）铜-铜镍热电偶
（1—1）
又因为 R1 两端电压和 R2 两端电压相等，即 Ie R I 5 R2 可求得： I 5 I 9 Ie I 6 20Ie （1—2）
第二章 课程设计的基本原理..........................................................................................2
2.1 热电偶测温原理.............................................................................................................2 2.2 变送器原理框图.............................................................................................................2
第一章 课程设计的目的及要求
1.1 设计目的
1、掌握热电偶的结构、工作原理及正确选择。 2、了解变普通送器的结构及简单应用。 3、通过设计增加对所学知识的灵活掌握和综合应用能力。
1.2 设计要求
（1） 设计测量温度范围 0~1000℃的热电偶传感器 （2）选用合适的热电偶材料，设计测温电路，采用 BB 公司的专用控制芯片 XTR101 测温传感器采用镍铬-镍硅热电偶（K 型），对应温度范围要求变换为 4~20mA 电 流信号。 （3） 绘制完整的电路图，计算主要元件参数，决定零点和满量程数值的元 件参数。
第三章 课程设计的主要内容..........................................................................................3
3.1 热电偶的选择................................................................................................................. 3 3.2 设计构架...........................................................................................................................3 3.3 具体电路的设计.............................................................................................................5
本次课程设计选用（K 型热电偶）镍铬-镍硅热电偶，此热电偶是目前用量 最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成 分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使 用温度为-200~1300℃。其主要特点：
（1）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。
学 号 1207040215
天津城建大学
传感器课程设计
设计说明书
镍铬-镍硅热电偶（K 型）与 XTR101 组成的 二线制温度变送器
起止日期： 2015 年 11 月 15 日 至 2015 年 11 月 30 日
学生姓名
班
级
成
绩
指 导 教 师 (签 字 )
江江 12 电 信 2 班
计算机与信息工程学院 2015 年 11 月 30
热电偶的冷端放在冰水混合液中，整个回路的电动势由右边的毫伏表读出， 以此读数查表即可得热端被测物体的温度。
但测温方法有很多缺点，如冷锻必须为 0℃，电路电动势为毫伏级，不易测 量等，故设计热电偶温度变送器。该变送器将对冷端进行补偿，并将电动势值放 大，其测温范围为 0～1000℃。
2.2 变送器原理框图
测温范围 0℃～1000℃ 采用 BB 公司的专用控制芯片 XTR101 测温传感器采用镍铬-镍硅热电偶（K 型） 对应温度范围要求变换为 4~20mA 电流信号 要求：论文要求结构合理，语句通顺、准确，书写规范。图形电路绘制准确，论文书写 符合规范化要求。 论述热电偶的测温原理 绘制完整的电路图 计算主要元件参数，决定零点和满量程数值的元件参数
3.3 具体电路的设计
(1)XTR101 信号调理芯片 为了得到稳定的 4mA~20mA 的输出电流，我们选用常用的信号放大芯片 XTR101。 XTR101 通用型变送器单片模块电路，可把传感器的电压信号自动地变换成 标准电流信号。内含一个高精度的仪表放大器、一个电压/电流变换器和二个相 同的 1mA 精密恒流源基准。该电路失调电压低，最大为 30uV，漂移小，最大为 0.75uV/℃，外接元件可适于远程信号传输变换和热电偶、电阻温度计、热敏电 阻以及应变计电桥登多种工作状态的变送器电路。实际应用时，应在输出端外加 一个功率管，使工作时的热源外移，以保证其工作稳定性。 传感器的电压信号由 3、4 脚输入，5、6 脚外接电阻 Rs 可以调节输出满幅 度，1、2、14 脚外接电位器组成出示调零电路，10、11 脚分别输出两个 1mA 恒 流，可以用于传感器供电，8 脚接电源正端（也且是环流注入端），7 脚通过负载 电阻 RL 接电源负极（也是环流信号输出端），12、8、9 可外接功率管。 XTR101 两线制变送器的优点是抗干扰能力很强，长期运转导致的压降、电机噪 音、继电器、电力拖动装置、电器开关、电流互感器和工作设备电源的频繁切换 启动均无影响。它的工作温度范围为-40℃至 80℃。 XTR101 芯片电路图如图 2 所示，R1=1kΩ，R2=52.6Ω，R3=R4=1.25kΩ，Rs 为调增益的电阻。
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能够在传感器线路不通时，通过是否能检测到正常范围内的电流，判断电路是否 出现故障，因此使用更为普遍。
（2）电路功能 【1】温度补偿
图 3.1 补偿电路
当热电偶测温时，其冷端温度受环境变换影响较大，从而会影响最后测量的 电信号。为了能得到稳定的电信号，以便算出真实的待测温度，需要对热电偶的 冷端进行温度偿。
【2】信号的放大 热电偶测温的原理是基于热电转换效应。虽然它集放热、转换为一体，能直 接实现温度到电压的输出，但输出幅度很微小。如 K 型热电偶的灵敏度为 0.04mv/℃。因此，对其信号必须进行放大。 【3】主要器件 A、热电偶作为感温元件，采集温度信号；
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B、铜电阻作为补偿电阻，补偿热电偶的冷端温度； C、XTR101 为小信号处理专用芯片，将输入的微弱信号放大后便于远端传输； D、RL 负载电阻，便于电信号的测量。
图wenku.baidu.com3.2 XTR101 芯片内部电路图
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I1 (V 4 V 3) Rs Ein Rs ； I 2 (V1 V 3) R3 ； I 3 (V1 V 4) R4 。 且 I 4 I1 I 2 ; I 3 I1 0.1mA; I 4 Ie 。
可导出： Ie 2Ein Rs Ein1250 0.1mA
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第二章 课程设计的基本原理
2.1 热电偶测温原理
下图为热电偶测温原理图，热电偶的热端与被测物体接线，温度为 t。
mv
A
B
t
冰水混合液
图 2.1 热电偶测温原理图
电偶是一种感温元件，是一种仪表。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。热电偶测温 的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回 路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势。
第四章 课程设计的心得与体会.....................................................................................9
第五章 参考文献...................................................................................................................10
目录
第一章 课程设计的目的及要求..................................................................... ...............1
1.1 设计目的......................................................................................................................... 1 1.2 设计要求...........................................................................................................................1