氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真课程设计

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1、课程设计报告学生姓名:张雨强学号：2014303020108学院:自动化工程学院班级:测控141班题目:电子工艺设计氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真指导教师：兰建军职称:讲师2017年1月8日目录第1章绪论11.1设计背景11.2设计目的11.3设计要求1第2章设计内容22.1设计原理22.1.1氧化锆氧量传感器工作原理22.1.2差分式精密放大电路22.1.3同相比例加法电路32.2器件说明42.3电路设计52.4仿真调试52.5PCB板设计62.6可靠性和抗干扰性设计7第3章设计体会及收获9参考文献10附录一：电路原理图11附录二：PCB图

2、12附录三：PCB效果图13第1章绪论1.1设计背景纵观我们的生活，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。在矿用工作和通行的井下空气中，为安全工作要保证一定的氧气浓度，需要氧气浓度传感器进行监测。在火力发电厂燃煤锅炉来说，为经济燃烧要检测炉内氧量来调整风量，也离不开氧气浓度传感器的应用。因此，设计出技术和性能优良的氧气传感器是很必要的。分析氧含量在工业生产、医学和环境保护等领域都有着十分重要的意义。1.2设计目的针对本次课程设计，其设计目的具体有以下五点：(1)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

3、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。1.3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，实现以下要求：(1)设计信号调理电路将传感器输出112-0.6mV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

4、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）。-13-第2章设计内容2.1设计原理本次氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真课程设计，其原理主要是由氧化锆氧量传感器输出112-0.6mV的信号，设计信号调理电路将传感器输出信号转换为0-5V直流电压信号。接下来介绍一下氧化锆氧量传感器工作原理和具体的信号调理电路设计原理。2.1.1氧化锆氧量传感器工作原理氧化锆氧量传感器主要由氧化锆（ZrO2）和护套组成。它可以对燃烧气氛进行测量和控制，稳定和提高生产质量，又可缩短周期，节约能源。氧化锆氧量传感器是采用氧化

5、锆固体电解质组成的氧浓度差电池来测氧的传感器。锆管的陶瓷体是多孔体，氧气可以渗入该多孔体固体电解质内。温度较高时，氧气发生电离。只要锆管内（大气）外（废气）侧氧含量不一样，存在氧浓度差，则在固体电解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，使锆管形成微电池，在锆管铂极间产生电压。当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，产生的电压小；当混合气浓时，排气中氧含量少，CO、CH、NOx的含量较多，这些成分在锆管外表面的铂的催化作用下，与氧发生反应，消耗废气中残余的氧，使锆管外表面氧浓度变成零，这样使得锆管内、外两侧的氧浓度差突然增大，两极间产生的电压也

6、增大。电动势与温度、氧气浓度构成了一定的关系.利用这个关系,在温度一定的条件下,通过测取电动势,就可以知道氧气浓度了。2.1.2差分式精密放大电路首先氧化钴传感器输入信号与一个0.6mV电压信号作差，使信号变为0-111.4mV的电压信号，完成将下限调为零的作用。然后将所做的减法信号进行放大，最终实现的结果是从112-0.6mV的信号到0-5V直流电压信号的转换。此设计电路由三运放组成的如图2-1所示的精密放大电路完成的。-13-图2-1差分式精密放大电路设计图该放大电路分为两级，由运放U1A、U1B组成第一级电路，U1C构成第二级电路，两级电路属

7、于差分式电路。在第一级电路中，信号电压分别加到运放U1A、U1B的同相输入端，R3、R4和R7位电路引入了深度的电压串联负反馈，使得运放U1A、U1B的输入端具有“虚短”和“虚断”的特征，而流过的电阻R3、R4和R7的电流相等，因此有U1-U2=Uo2-Uo3R7R3+R4+R7…………….…………….………..(1)整理得Uo2-Uo3=1+R3+R4R7U1-U2………..………………..(2)Uo2-Uo3作为第二级差分放大电路的输入信号，由于U1C两输入电阻相等，且R1=R5，R2=R6，有Uo1=-R2R1(Uo2-Uo3)…………………

8、.……………..(3)将Uo2-Uo3代入上式，便得到精密放大电路输出电压与输入电压的关系式Uo1=-R2R11+R3+R