仪器仪表电子工业课程设计-氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真

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1、仪器仪表电子工业课程设计课程设计报告学生姓名:学号：学院:自动化工程学院班级:测控081题目:氧气浓度传感器信号调理电路设计与仿真指导教师：职称:2011年12月16日17仪器仪表电子工业课程设计目录1.设计目的22.设计要求33.设计内容43.1总体设计43.2工作原理分析43.3器件选型说明63.4原理图设计63.4.1减法电路63.4.2比例放大部分73.5电路仿真93.6PCB电路设计103.7可靠性和抗干扰设计113.8总结124.设计心得和体会13参考文献14附录1：电路原理图15附录2：PCB图16附录3：PCB效果图

2、1717仪器仪表电子工业课程设计1.设计目的在火力发电的过程中，对锅炉烟气含氧量，二氧化碳含量，一氧化碳含量的分析测量对于指导锅炉燃烧控制有重要的意义。锅炉燃烧过程的重要任务之一是维持炉内过剩空气稳定，以保证经济燃烧。炉内过剩空气稳定，对燃煤锅炉来说，一般是通过保证一定的风煤比来实现的，这种情况只有在煤质稳定时，才能较好地保持炉内过剩空气稳定，而当煤质变化，就不能保持炉内过剩空气稳定，不能保持经济燃烧。要随时保持经济燃烧，就必须经常检测炉内过剩空气系数或氧量，并根据氧量的多少来适当调整风量，以保持最佳风煤比，维持最佳的过剩空气系数或

3、氧量。所以，送风调节系统常采用氧量校正信号。所以测量烟气中氧气含量意义重要。针对这次课程设计的内容，可以分为以下五点：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）；（1）了解印刷电路板的设计和制作过程；（2）掌握电子元器件选型的基本原理和方法；（3）了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧；（4）掌握氧气浓度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17仪器仪表电子工业课程设计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

4、的信号调理电路，实现以下要求：（1）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）17仪器仪表电子工业课程设计3.设计内容3.1总体设计首先氧化锆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，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

5、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1电路原理图3.2工作原理分析氧化锆氧量计属于电化学分析器中的一种。烟气中氧气含量用氧化锆氧量传感器测量，氧化锆氧量计可以用来连续分析烟气中氧的含量，然后控制送风量来调节过剩空气系数值，以保证最佳的空气燃料比，达到节能的效果。工作原理：氧传感器的关键部件是氧化锆，在氧化锆元件的内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池。它位于传感器的顶端。17仪器仪表电子工业课程设计氧化锆管是由氧化锆材料掺以一

6、定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导体。因其这一特性，在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。在实际的氧探头中，空气流经外电极，烟气流经内电极，当烟气氧含量P2小于空气氧含量P1（20.6%O2）时，空气中的氧分子从外电极上夺取4个电子形成2个氧离子，发生如下电极反应：　　　　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

7、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（20.6%O2）,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

8、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=X1P2/P=V2/V=X2X1，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