氧氣濃度傳感器課程設計報告

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 設計目的意義及要求1</p><p>　　1.1設計目的及意義1</p><p><b>　　1.2設計要求1</b></p><p>　　第2章 設計原理2</p><p>　　第3章

2、 設計內容3</p><p>　　3.1總體設計3</p><p>　　3.2 工作器件的選擇3</p><p>　　3.3 原理圖設計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電路設計8</p><p>　　3.6 可靠性和抗干擾設計9</p><p>　　3.7 設計總結10</p><p><b>　　參考文獻11</b></p><p>　　第1章 設計目的意義及要求</p><p&g

4、t;　　1.1設計目的及意義</p><p>　　在火力發(fā)電中，鍋爐燃燒調整的首要任務是調整好燃料和風量的配合，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量的大小，指導運行人員或自動調節(jié)系統(tǒng)合理地調配風、粉比例。確定最佳煙氣含氧量的設定值實現(xiàn)燃燒過程優(yōu)化控制，基于煙氣含氧量的變化實現(xiàn)控制及運行穩(wěn)定，并可以確保經濟型。 要保持經濟和安全穩(wěn)定燃燒，就必須準確和經常檢測鍋爐內的含氧量，并根據(jù)含氧量適當

5、調節(jié)風量，以保持最佳風煤比，維持最佳空氣系數(shù)。</p><p><b>　　設計目的：</b></p><p>　　(1)了解常用電子元器件基本知識（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計和制作過程；</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和掌握電路焊接的基本技巧；</p><p>　　(5)掌握pH值傳感器信號調理電路的設計，并利用仿真軟件進行電路的調試。</p><p><b>　　1.2設計要求</b></p><p>　　選用氧化鋯氧量傳感器進行煙氣含氧量測量，要求測量范圍0.1%-20.0%、精度為

7、0.1%。設計傳感器的信號調理電路，實現(xiàn)以下要求：</p><p>　　(1) 設計信號調理電路將傳感器輸出112-0.6 mV的信號轉換為0-5V直流電壓信號；</p><p>　　(2) 對信號調理電路中采用的具體元器件應有器件選型依據(jù)；</p><p>　　(3) 電路的設計應當考慮可靠性和抗干擾設計內容；</p><p>　　(4)

8、電路的基本工作原理應有一定說明；</p><p>　　(5) 電路應當在相應的仿真軟件上進行仿真以驗證電路可行性（不限制EDA軟件類型）。</p><p><b>　　第2章 設計原理</b></p><p>　　氧氣傳感器是一種用來檢測某設備中氧的濃度，并向ECU發(fā)出反饋信號，再由ECU控制。</p><p>　　其

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

10、2（P1）+4e- 由于氧濃差導致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產生的電勢又導致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當這兩種遷移達到平衡后，便在兩電極間產生一個與氧濃差有關的電勢信號E,該電勢信號符合“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是鋯管絕對溫度（K）, P1是空氣氧含量（20.6%2）, P2是煙氣含量。由（1）式可見，在一定的高溫條件下（一般600℃），一定的煙氣

11、氧含量便會有一對應的電勢輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢值在高溫區(qū)域內對應氧含量。 如果被測氣體和參比氣體的壓力均為P，則有</p><p><b>　　第3章 設計內容</b></p><p><b>　　3.1總體設計</b></p><p>　　氧化鋯傳感器輸入信號與0.6mv電壓信號作差，使信號變?yōu)?-111.4mv

12、，即U1A部分完成的功能。減法電路輸出的信號需要經過一個同相比例放大器放大，使信號變?yōu)?-5V的標準電壓信號。所以U1B部分完成放大信號的作用。最終將傳感器輸入的112-0.6mV信號轉換成電壓信號。</p><p>　　整體設計的電路圖如下：</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 元器件及對應價格</p><p>　　所需電路板長3.8cm，寬2.6cm,面積9.88cm2，價格約為1.2元。</p><p>　　共計：1206.4元。</p><p>　　3.3 原理圖設計</p><p>　　3.3.1 減法電路</p><p>　　首先氧化鈷傳感器輸入信號與0.6m

14、v電壓信號作差，使信號變?yōu)?-111.4mv，完成將下限調為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電壓轉換為0—111.4mV電壓 電路原理：差分式減法運算電路是利用一級運放實現(xiàn)的電路，如圖所示。要進行運算的兩路信號分別由運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系。 當令Ui1單獨作用時，Ui2=0，電路實質是一個反相輸入比例電路，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系。 當U2單獨作用時，令Ui1=0,此時電路實質是所分析的同相輸入比例電路。分析結果得：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Ui1和Ui2共同作用時

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，從而實現(xiàn)對輸入信號的減法運算。減法運算也可以看成是對兩個輸入信號的差進行放大，所以此電路也廣泛應用于自動檢測儀器中，實現(xiàn)對輸入信號的檢測。</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。按電路分析，該電路屬于電壓串聯(lián)負反饋電路，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，有運放反向輸入端點位Un等于通向輸入端點位UP,而同時

18、相端電位UP 就是輸入端信號電位Ui 即Uo=U1=UP 又根據(jù)虛斷的概念，流入運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端電壓值大小，測量調理電路輸出值的大小，如下表所示：</p><p>　　表2傳感器與調理電路輸出值表</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電路設計</p><p>　　PCB的設計流程分為原理圖設計，規(guī)劃電路板，載入網(wǎng)絡報表，元件的布局和調整，中間層的定義，布線規(guī)則設置以及布線等。</p><p>　　1.原理圖設計：對于原理圖，建議采用模塊化的設計方法，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：所設計的電路板用在什么地方，尺寸、板層結構、原件封裝以及安裝方式。</p><p>　　3.載入網(wǎng)絡報表，導入PCB。</p><p>　　4.元件的布局和調整。這部分可雙層板沒有多少差別，不過對于核心元件還是注意。當然也可以雙面布局元件；對于時鐘要靠近CPU，振蕩電路盡量遠離天線等易受干擾區(qū)。晶振下要放接地焊盤。對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)選擇有經驗公式的，內電層的線是負邏輯。</p><p>　　6.布線規(guī)則設置以及布線，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，然后運行DRC。</p><p>　　7.對于外部接口最好有文字說明，方便交互式使用。</p><p>　　圖3-5 PCB電路圖<

23、/p><p>　　3.6 可靠性和抗干擾設計</p><p>　　印制電路板的抗干擾設計與具體電路有著密切的關系，這里僅就PCB抗干擾設計的幾項常用措施做一些說明。</p><p><b>　　1.電源線設計</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，這樣有助于增強抗噪聲能力。</p><p><b>　　2.地線設計</b></p><p><b>　　地線設計的原則是：</b></p><p>　　（1）數(shù)字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)再并聯(lián)

25、接地。高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地，地線應短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積的箔。</p><p>　?。?）接地線應盡量加粗。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。因此應將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應在2-3mm以上。</p><p>　?。?）接地線構成閉環(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設計的常規(guī)做法之一是在印制板的各個關鍵部位配置適當?shù)耐伺弘娙荨Ｍ伺弘娙莸囊话闩渲迷瓌t是：</p><p>　?。?）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>　　（2）原則上每

27、個集成電路芯片都應布置一個0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4-8個芯片不止一個1-10pF的電容。</p><p>　?。?）對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應在芯片的電源線的地線之間直接接入退藕電容。</p><p>　?。?）電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。</p><p>　　3.7 設計

28、總結</p><p>　　本文對煙氣中含氧量的在線檢測進行了深入的研究，在參考一些資料的基礎上合理的選擇了系統(tǒng)的設計方案。</p><p>　　1.選用氧化鈷氧量傳感器進行煙氣含氧量的測量，介紹了氧化鈷氧量計的工作原理，對元器件的選型進行了分析，并附有元器件的報價。</p><p>　　2.設計了模擬小信號調理電路，由于傳感器輸入信號是毫伏級，所以設置了一個同相比例

29、放大器，對其進行放大，是輸出在0-5v。</p><p>　　3.用proteus對電路硬件原理圖進行了仿真，用protel軟件進行PCB圖設計。</p><p>　　4.針對電路進行了可靠性和抗干擾設計。</p><p>　　本設計還有很多不足和進一步研究的地方，希望老師能給予意見和指導。</p><p><b>　　參考文獻&l

30、t;/b></p><p>　　[1]徐德炳譯，傳感器的接口及信號調理電路。北京：國防工業(yè)出版社，1984</p><p>　　[2]劉宏，電子工藝實習。廣州：華南理工大學出版社，2009</p><p>　　[3]俞雅珍，電子工藝技術。上海：復旦大學出版社，2007</p><p>　　[4]康華光，模擬電子技術。北京：高等教育出版社

31、，2004</p><p>　　[5]楊邦朝，簡家文，段建華等。氧傳感器原理與進展。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。華北電力技術，2000</p><p>　　[7]周惠潮，孫曉峰，常用電子器件及典型應用。電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[8]王昌貴，儲文魁，氧化鈷傳感器的