氧氣濃度傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 設(shè)計(jì)目的意義及要求1</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)目的及意義1</p><p><b>　　1.2設(shè)計(jì)要求1</b></p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)原理2</p><p>　　第3章

2、 設(shè)計(jì)內(nèi)容3</p><p>　　3.1總體設(shè)計(jì)3</p><p>　　3.2 工作器件的選擇3</p><p>　　3.3 原理圖設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.3.1 減法電路4</p><p>　　3.3.2 比例放大部分5</p><p>　　3.4 電路仿真

3、7</p><p>　　3.5 PCB電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.6 可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.7 設(shè)計(jì)總結(jié)10</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p>　　第1章 設(shè)計(jì)目的意義及要求</p><p&g

4、t;　　1.1設(shè)計(jì)目的及意義</p><p>　　在火力發(fā)電中，鍋爐燃燒調(diào)整的首要任務(wù)是調(diào)整好燃料和風(fēng)量的配合，煙氣中的氧氣含量、一氧化碳含量、二氧化碳含量能夠直觀地反映風(fēng)量的大小，指導(dǎo)運(yùn)行人員或自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)合理地調(diào)配風(fēng)、粉比例。確定最佳煙氣含氧量的設(shè)定值實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程優(yōu)化控制，基于煙氣含氧量的變化實(shí)現(xiàn)控制及運(yùn)行穩(wěn)定，并可以確保經(jīng)濟(jì)型。 要保持經(jīng)濟(jì)和安全穩(wěn)定燃燒，就必須準(zhǔn)確和經(jīng)常檢測(cè)鍋爐內(nèi)的含氧量，并根據(jù)含氧量適當(dāng)

5、調(diào)節(jié)風(fēng)量，以保持最佳風(fēng)煤比，維持最佳空氣系數(shù)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　(1)了解常用電子元器件基本知識(shí)（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路）；</p><p>　　(2)了解印刷電路板的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程；</p><p>　　(3)掌握電子元器件選型的基本原理和方法；&

6、lt;/p><p>　　(4)了解電路焊接的基本知識(shí)和掌握電路焊接的基本技巧；</p><p>　　(5)掌握pH值傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，并利用仿真軟件進(jìn)行電路的調(diào)試。</p><p><b>　　1.2設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　選用氧化鋯氧量傳感器進(jìn)行煙氣含氧量測(cè)量，要求測(cè)量范圍0.1%-20.0%、精度為

7、0.1%。設(shè)計(jì)傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)以下要求：</p><p>　　(1) 設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路將傳感器輸出112-0.6 mV的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V直流電壓信號(hào)；</p><p>　　(2) 對(duì)信號(hào)調(diào)理電路中采用的具體元器件應(yīng)有器件選型依據(jù)；</p><p>　　(3) 電路的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)內(nèi)容；</p><p>　　(4)

8、電路的基本工作原理應(yīng)有一定說(shuō)明；</p><p>　　(5) 電路應(yīng)當(dāng)在相應(yīng)的仿真軟件上進(jìn)行仿真以驗(yàn)證電路可行性（不限制EDA軟件類型）。</p><p><b>　　第2章 設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　氧氣傳感器是一種用來(lái)檢測(cè)某設(shè)備中氧的濃度，并向ECU發(fā)出反饋信號(hào)，再由ECU控制。</p><p>　　其

9、基本工作原理是：在一定條件下，利用氧化鋯內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度差，產(chǎn)生電位差，且濃度差越大，電位差越大。在高溫及鋯的催化下，帶負(fù)電的氧離子吸附在氧化鈷套管的內(nèi)外表面。大氣中的含氧量比廢氣多，兩側(cè)離子的濃度差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)套管廢氣一側(cè)的氧濃度低時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高電壓（0.6-1v），這個(gè)信號(hào)送到ECU放大處理。生如下電極反應(yīng)： O2（P2）+4e-→2O^2-氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng)： 2O^2- →O

10、2（P1）+4e- 由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào)E,該電勢(shì)信號(hào)符合“能斯特”方程： E=(RT/4F)ln(P1/P2) 式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管絕對(duì)溫度（K）, P1是空氣氧含量（20.6%2）, P2是煙氣含量。由（1）式可見(jiàn)，在一定的高溫條件下（一般600℃），一定的煙氣

11、氧含量便會(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢(shì)值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)氧含量。 如果被測(cè)氣體和參比氣體的壓力均為P，則有</p><p><b>　　第3章 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　3.1總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　氧化鋯傳感器輸入信號(hào)與0.6mv電壓信號(hào)作差，使信號(hào)變?yōu)?-111.4mv

12、，即U1A部分完成的功能。減法電路輸出的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)同相比例放大器放大，使信號(hào)變?yōu)?-5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。所以U1B部分完成放大信號(hào)的作用。最終將傳感器輸入的112-0.6mV信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。</p><p>　　整體設(shè)計(jì)的電路圖如下：</p><p>　　圖3-1 電路原理圖</p><p>　　3.2 工作器件的選擇</p><p

13、>　　表1 元器件及對(duì)應(yīng)價(jià)格</p><p>　　所需電路板長(zhǎng)3.8cm，寬2.6cm,面積9.88cm2，價(jià)格約為1.2元。</p><p>　　共計(jì)：1206.4元。</p><p>　　3.3 原理圖設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 減法電路</p><p>　　首先氧化鈷傳感器輸入信號(hào)與0.6m

14、v電壓信號(hào)作差，使信號(hào)變?yōu)?-111.4mv，完成將下限調(diào)為0的作用。原理圖如下：</p><p>　　圖3-2減法電路原理圖</p><p>　　作用：將0.6mV—112mV電壓轉(zhuǎn)換為0—111.4mV電壓 電路原理：差分式減法運(yùn)算電路是利用一級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的電路，如圖所示。要進(jìn)行運(yùn)算的兩路信號(hào)分別由運(yùn)放的同相和反相輸入端送入，這是一種差分輸入方式。由于存在著負(fù)反饋，電路屬于線性電路，因此

15、，可以利用疊加定理分析求解電路輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系。 當(dāng)令Ui1單獨(dú)作用時(shí)，Ui2=0，電路實(shí)質(zhì)是一個(gè)反相輸入比例電路，如圖所示，輸出端電壓 Uo1=-R3*Ui1/R2. 電阻R2//R3，只起平衡作用，不影響電路輸入輸出關(guān)系。 當(dāng)U2單獨(dú)作用時(shí)，令Ui1=0,此時(shí)電路實(shí)質(zhì)是所分析的同相輸入比例電路。分析結(jié)果得：Uo2=(1+R3/R2)*Rf*Ui2/(R+Ri) 最后，利用疊加定理就可以求出輸入信號(hào)Ui1和Ui2共同作用時(shí)

16、，輸出電壓為Uo=Uo1+Uo2=-R3*Ui1/R2+R3*Ui2/R2=R3(Ui2-Ui1)/R2。若取R3=R2，則有Uo=Ui2-Ui1，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的減法運(yùn)算。減法運(yùn)算也可以看成是對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)的差進(jìn)行放大，所以此電路也廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)儀器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的檢測(cè)。</p><p>　　3.3.2 比例放大部分</p><p>　　作用：將減法電路輸出的信號(hào)放大為0-5

17、V</p><p>　　圖3-3 比例放大電路原理圖</p><p>　　工作原理: 同相輸入比例運(yùn)算放大電路如圖所示：在圖電路中，電阻R5和Rv1組成了反饋網(wǎng)絡(luò)。按電路分析，該電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，其電路輸入電阻Rif=∞。輸出電阻Rof=0. 輸入電壓U1加到了運(yùn)放的通向輸入端，所以輸出電壓U0與U1同相。根據(jù)“虛短”的概念，有運(yùn)放反向輸入端點(diǎn)位Un等于通向輸入端點(diǎn)位UP,而同時(shí)

18、相端電位UP 就是輸入端信號(hào)電位Ui 即Uo=U1=UP 又根據(jù)虛斷的概念，流入運(yùn)放輸入端的電流為零，因此有 if=iR由以上分析可知，Ui是Uo在電阻R5,Rv1支路的分壓，即 Ui=R1*Uo/(Rv1+R5)。 整理得：Uo=(1+R5/Rv1)Uf，上式表明。該電路的輸出電壓Uo與輸入電壓Ui成比例，比例系數(shù) ：K=1+R5/Rv1 從放大電路角度看，同相輸入比例運(yùn)算放大電路也是輸出電壓與輸入電壓同相的放大電路，其放大倍數(shù)為

19、： Au=1+R5/Rv1</p><p>　　3.4 電路仿真</p><p>　　使用proteus軟件仿真，改變傳感器輸入信號(hào)端電壓值大小，測(cè)量調(diào)理電路輸出值的大小，如下表所示：</p><p>　　表2傳感器與調(diào)理電路輸出值表</p><p><b>　　仿真電路圖如下：</b></p><

20、;p>　　圖3-4 仿真電路圖</p><p>　　3.5 PCB電路設(shè)計(jì)</p><p>　　PCB的設(shè)計(jì)流程分為原理圖設(shè)計(jì)，規(guī)劃電路板，載入網(wǎng)絡(luò)報(bào)表，元件的布局和調(diào)整，中間層的定義，布線規(guī)則設(shè)置以及布線等。</p><p>　　1.原理圖設(shè)計(jì)：對(duì)于原理圖，建議采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，相近電路或功能模塊放在一起，具有很好的可讀性。</p>&l

21、t;p>　　2.規(guī)劃電路板：所設(shè)計(jì)的電路板用在什么地方，尺寸、板層結(jié)構(gòu)、原件封裝以及安裝方式。</p><p>　　3.載入網(wǎng)絡(luò)報(bào)表，導(dǎo)入PCB。</p><p>　　4.元件的布局和調(diào)整。這部分可雙層板沒(méi)有多少差別，不過(guò)對(duì)于核心元件還是注意。當(dāng)然也可以雙面布局元件；對(duì)于時(shí)鐘要靠近CPU，振蕩電路盡量遠(yuǎn)離天線等易受干擾區(qū)。晶振下要放接地焊盤。對(duì)于相同電源類型的盡量靠在一起，這樣可以很

22、好的電源分割等。</p><p>　　5.中間層的定義。電路的層數(shù)選擇有經(jīng)驗(yàn)公式的，內(nèi)電層的線是負(fù)邏輯。</p><p>　　6.布線規(guī)則設(shè)置以及布線，優(yōu)化布線。布線完畢后要檢查布線的完整性，別讓飛線存在，然后運(yùn)行DRC。</p><p>　　7.對(duì)于外部接口最好有文字說(shuō)明，方便交互式使用。</p><p>　　圖3-5 PCB電路圖<

23、/p><p>　　3.6 可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)</p><p>　　印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施做一些說(shuō)明。</p><p><b>　　1.電源線設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)使電源線、地線的走向

24、和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。</p><p><b>　　2.地線設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　地線設(shè)計(jì)的原則是：</b></p><p>　　（1）數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)再并聯(lián)

25、接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積的箔。</p><p>　　（2）接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很紉的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在2-3mm以上。</p><p>　　（3）接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板，其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高

26、抗噪能力。</p><p><b>　　3.退藕電容配置</b></p><p>　　PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙?。退藕電容的一般配置原則是：</p><p>　　（1）電源輸入端跨接10-100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。</p><p>　?。?）原則上每

27、個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4-8個(gè)芯片不止一個(gè)1-10pF的電容。</p><p>　　（3）對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線的地線之間直接接入退藕電容。</p><p>　　（4）電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。</p><p>　　3.7 設(shè)計(jì)

28、總結(jié)</p><p>　　本文對(duì)煙氣中含氧量的在線檢測(cè)進(jìn)行了深入的研究，在參考一些資料的基礎(chǔ)上合理的選擇了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　1.選用氧化鈷氧量傳感器進(jìn)行煙氣含氧量的測(cè)量，介紹了氧化鈷氧量計(jì)的工作原理，對(duì)元器件的選型進(jìn)行了分析，并附有元器件的報(bào)價(jià)。</p><p>　　2.設(shè)計(jì)了模擬小信號(hào)調(diào)理電路，由于傳感器輸入信號(hào)是毫伏級(jí)，所以設(shè)置了一個(gè)同相比例

29、放大器，對(duì)其進(jìn)行放大，是輸出在0-5v。</p><p>　　3.用proteus對(duì)電路硬件原理圖進(jìn)行了仿真，用protel軟件進(jìn)行PCB圖設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.針對(duì)電路進(jìn)行了可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)還有很多不足和進(jìn)一步研究的地方，希望老師能給予意見(jiàn)和指導(dǎo)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&l

30、t;/b></p><p>　　[1]徐德炳譯，傳感器的接口及信號(hào)調(diào)理電路。北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984</p><p>　　[2]劉宏，電子工藝實(shí)習(xí)。廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009</p><p>　　[3]俞雅珍，電子工藝技術(shù)。上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[4]康華光，模擬電子技術(shù)。北京：高等教育出版社

31、，2004</p><p>　　[5]楊邦朝，簡(jiǎn)家文，段建華等。氧傳感器原理與進(jìn)展。傳感器世界，2002</p><p>　　[6]郭士海，毛曉東，氧化鈷分析的研制及改進(jìn)。華北電力技術(shù)，2000</p><p>　　[7]周惠潮，孫曉峰，常用電子器件及典型應(yīng)用。電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[8]王昌貴，儲(chǔ)文魁，氧化鈷傳感器的