氧气浓度传感器课程设计报告.doc

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1、目 录第1章 设计目的意义及要求11.1设计目的及意义11.2设计要求1第2章 设计原理2第3章 设计内容33.1总体设计33.2 工作器件的选择33.3 原理图设计43.3.1 减法电路43.3.2 比例放大部分53.4 电路仿真73.5 PCB电路设计83.6 可靠性和抗干扰设计93.7 设计总结10参考文献11第1章 设计目的意义及要求1.1设计目的及意义在火力发电中，锅炉燃烧调整的首要任务是调整好燃料和风量的配合，烟气中的氧气含量、一氧化碳含量、二氧化碳含量能够直观地反映风量的大小，指导运行人员或自动调节系统合理地调配风、粉比例。确定最佳烟气含氧量的设定值实现燃烧过程优化控制，基于烟气

2、含氧量的变化实现控制及运行稳定，并可以确保经济型。 要保持经济和安全稳定燃烧，就必须准确和经常检测锅炉内的含氧量，并根据含氧量适当调节风量，以保持最佳风煤比，维持最佳空气系数。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pH值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设计要求选用氧化锆氧量传感器进行烟气含氧量测量，要求测量范围0.1%-20.0%、精度为0.1%。设计传感器的信号调理电路

3、，实现以下要求：(1) 设计信号调理电路将传感器输出112-0.6 mV的信号转换为0-5V直流电压信号；(2) 对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据；(3) 电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容；(4) 电路的基本工作原理应有一定说明；(5) 电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性（不限制EDA软件类型）。第2章 设计原理氧气传感器是一种用来检测某设备中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制。其基本工作原理是：在一定条件下，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。在高温及锆的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化钴套管的内外表面。大

4、气中的含氧量比废气多，两侧离子的浓度差产生电动势。当套管废气一侧的氧浓度低时，产生一个高电压（0.6-1v），这个信号送到ECU放大处理。生如下电极反应： O2（P2）+4e-2O2-氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应： 2O2- O2（P1）+4e- 由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，因而产生的电势又导致氧离子从烟气边反向迁移到空气边，当这两种迁移达到平衡后，便在两电极间产生一个与氧浓差有关的电势信号E,该电势信号符合“能斯特”方程： E=(RT/4F)ln(P1/P2) 式中R、F分别是气体常数和法拉第常数，T是锆管绝对温度（K）, P1是空气氧含量（

5、20.6%2）, P2是烟气含量。由（1）式可见，在一定的高温条件下（一般600），一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出，在理想状态下，其电势值在高温区域内对应氧含量。 如果被测气体和参比气体的压力均为P，则有 E=(RT/4F)ln(P1/P/P2/P) P1/P=V1/V=X1 P2/P=V2/V=X2 X1，X2被测气体和参比气体氧气体积百分比含量。 所以有： E=(RT/4F)ln(X1/X2) 氧化锆传感器测量范围为0.1%-20.0%时，传感器输出信号为112-0.6mV，为了便于将传感器输出信号处理和传输，我们需将传感器信号转换成0-5V标准信号。所以需要设计一调理电路完成。第

6、3章 设计内容3.1总体设计氧化锆传感器输入信号与0.6mv电压信号作差，使信号变为0-111.4mv，即U1A部分完成的功能。减法电路输出的信号需要经过一个同相比例放大器放大，使信号变为0-5V的标准电压信号。所以U1B部分完成放大信号的作用。最终将传感器输入的112-0.6mV信号转换成电压信号。 整体设计的电路图如下：图3-1 电路原理图3.2 工作器件的选择表1 元器件及对应价格器件类型数量单价合计电阻60.10.6滑动变阻器11.01.0放大器21.83.6氧化锆112001200所需电路板长3.8cm，宽2.6cm,面积9.88cm2，价格约为1.2元。共计：1206.4元。3.3

7、 原理图设计3.3.1 减法电路 首先氧化钴传感器输入信号与0.6mv电压信号作差，使信号变为0-111.4mv，完成将下限调为0的作用。原理图如下：图3-2减法电路原理图作用：将0.6mV112mV电压转换为0111.4mV电压 电路原理：差分式减法运算电路是利用一级运放实现的电路，如图所示。要进行运算的两路信号分别由运放的同相和反相输入端送入，这是一种差分输入方式。由于存在着负反馈，电路属于线性电路，因此，可以利用叠加定理分析求解电路输出电压与输入电压之间关系。 当令Ui1单独作用时，Ui2=0，电路实质是一个反相输入比例电路，如图所示，输出端电压 Uo1=-R3*Ui1/R2. 电阻R2

8、/R3，只起平衡作用，不影响电路输入输出关系。 当U2单独作用时，令Ui1=0,此时电路实质是所分析的同相输入比例电路。分析结果得：Uo2=(1+R3/R2)*Rf*Ui2/(R+Ri) 最后，利用叠加定理就可以求出输入信号Ui1和Ui2共同作用时，输出电压为Uo=Uo1+Uo2=-R3*Ui1/R2+R3*Ui2/R2=R3(Ui2-Ui1)/R2。若取R3=R2，则有Uo=Ui2-Ui1，从而实现对输入信号的减法运算。减法运算也可以看成是对两个输入信号的差进行放大，所以此电路也广泛应用于自动检测仪器中，实现对输入信号的检测。3.3.2 比例放大部分作用：将减法电路输出的信号放大为0-5V图

9、3-3 比例放大电路原理图工作原理: 同相输入比例运算放大电路如图所示：在图电路中，电阻R5和Rv1组成了反馈网络。按电路分析，该电路属于电压串联负反馈电路，其电路输入电阻Rif=。输出电阻Rof=0. 输入电压U1加到了运放的通向输入端，所以输出电压U0与U1同相。根据“虚短”的概念，有运放反向输入端点位Un等于通向输入端点位UP,而同时相端电位UP 就是输入端信号电位Ui 即Uo=U1=UP 又根据虚断的概念，流入运放输入端的电流为零，因此有 if=iR由以上分析可知，Ui是Uo在电阻R5,Rv1支路的分压，即 Ui=R1*Uo/(Rv1+R5)。 整理得：Uo=(1+R5/Rv1)Uf，

10、上式表明。该电路的输出电压Uo与输入电压Ui成比例，比例系数 ：K=1+R5/Rv1 从放大电路角度看，同相输入比例运算放大电路也是输出电压与输入电压同相的放大电路，其放大倍数为： Au=1+R5/Rv13.4 电路仿真使用proteus软件仿真，改变传感器输入信号端电压值大小，测量调理电路输出值的大小，如下表所示：表2传感器与调理电路输出值表传感器信号（V）0.00060.0010.0050.010.030.050.080.10.112输出端（V）0.040.250.430.641.492.353.364.495.00仿真电路图如下：图3-4 仿真电路图 3.5 PCB电路设计PCB的设计流

11、程分为原理图设计，规划电路板，载入网络报表，元件的布局和调整，中间层的定义，布线规则设置以及布线等。 1.原理图设计：对于原理图，建议采用模块化的设计方法，相近电路或功能模块放在一起，具有很好的可读性。 2.规划电路板：所设计的电路板用在什么地方，尺寸、板层结构、原件封装以及安装方式。 3.载入网络报表，导入PCB。 4.元件的布局和调整。这部分可双层板没有多少差别，不过对于核心元件还是注意。当然也可以双面布局元件；对于时钟要靠近CPU，振荡电路尽量远离天线等易受干扰区。晶振下要放接地焊盘。对于相同电源类型的尽量靠在一起，这样可以很好的电源分割等。 5.中间层的定义。电路的层数选择有经验公式的

12、，内电层的线是负逻辑。 6.布线规则设置以及布线，优化布线。布线完毕后要检查布线的完整性，别让飞线存在，然后运行DRC。 7.对于外部接口最好有文字说明，方便交互式使用。图3-5 PCB电路图3.6 可靠性和抗干扰设计印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。 1.电源线设计根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 2.地线设计地线设计的原则是：（1）数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单

13、点并联接地，实际布线有困难时可部分串联再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积的箔。（2）接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在2-3mm以上。（3）接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪能力。3.退藕电容配置PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是：（1）电源输入端跨接10-100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。（2

14、）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4-8个芯片不止一个1-10pF的电容。（3）对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线的地线之间直接接入退藕电容。（4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。3.7 设计总结本文对烟气中含氧量的在线检测进行了深入的研究，在参考一些资料的基础上合理的选择了系统的设计方案。 1.选用氧化钴氧量传感器进行烟气含氧量的测量，介绍了氧化钴氧量计的工作原理，对元器件的选型进行了分析，并附有元器件的报价。 2.设计了模拟小信号调理电路，由于传感器输入信号是毫伏级，所以设置了

15、一个同相比例放大器，对其进行放大，是输出在0-5v。 3.用proteus对电路硬件原理图进行了仿真，用protel软件进行PCB图设计。 4.针对电路进行了可靠性和抗干扰设计。本设计还有很多不足和进一步研究的地方，希望老师能给予意见和指导。参考文献1徐德炳译，传感器的接口及信号调理电路。北京：国防工业出版社，19842刘宏，电子工艺实习。广州：华南理工大学出版社，20093俞雅珍，电子工艺技术。上海：复旦大学出版社，20074康华光，模拟电子技术。北京：高等教育出版社，20045杨邦朝，简家文，段建华等。氧传感器原理与进展。传感器世界，20026郭士海，毛晓东，氧化钴分析的研制及改进。华北电力技术，20007周惠潮，孙晓峰，常用电子器件及典型应用。电子工业出版社，20028王昌贵，储文魁，氧化钴传感器的制造工艺及应用，化工自动化及仪表，19969王建国，检测技术及仪表，中国电力出版社，200710韩学军，模拟电子技术基础，中国电力出版社，200811王彦平，任延群等，protel 99电路设计指南，清华大学出版社，2000