基于K型熱電偶的瞬態(tài)高溫測(cè)試調(diào)理

[摘要]針對(duì)導(dǎo)彈爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫度測(cè)試系統(tǒng)的特定要求,設(shè)計(jì)了一套基于K型熱電偶的單電源傳感器調(diào)理電路。該電路以單電源儀表放大器INAI55.模擬開關(guān)MAX4638、二階有源壓控低通濾波器為核心,實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電偶輸出信號(hào)的可控放大。以及濾波去噪。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證該調(diào)理電路配合采集電路,可記錄完整的爆炸場(chǎng)溫度變化。
　　溫度測(cè)試在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域，一直是工程師研究的重要課題。根據(jù)溫度傳感器使用方式的不同,溫度測(cè)試方法可以分為接觸法和非接觸法。接觸法是使傳感器與被測(cè)介質(zhì)接觸，感受被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。當(dāng)測(cè)試環(huán)境對(duì)接觸式測(cè)溫傳感器有一定的損壞或腐蝕等,或傳感器會(huì)影響測(cè)試環(huán)境溫度場(chǎng)分布時(shí)，就需要用到非接觸式溫度測(cè)試儀。常用的接觸式測(cè)溫度法有:玻璃液體測(cè)溫、壓力式測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫等。常用的非接觸式溫度測(cè)試儀有:紅外測(cè)溫儀等。選用的是接觸式K型熱電偶測(cè)溫法。
　　由于K型熱電偶的輸出電壓非常小(最高時(shí)幾十毫伏),如果將熱電偶直接與AD相連，轉(zhuǎn)換后的有效信號(hào),會(huì)被傳感器自身的紋波所掩埋,因此在轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)前，必須對(duì)熱電偶的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等。
針對(duì)鎳鉻-鎳硅K型熱電偶的特性,設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一款調(diào)理電路。利用單電源儀表放大器INA155.模擬開關(guān)MAX4638.二階壓控濾波,實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的三級(jí)放大，最終輸出電壓瞞住AD轉(zhuǎn)換器的輸入要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該電路具有單電源、可調(diào)發(fā)達(dá)倍數(shù).精度高穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
1.熱電偶測(cè)溫原理
 
　　熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過(guò)電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)溫的基本原理如圖1所示:兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體A、B組成的閉合回路,當(dāng)1.2兩端存在溫度差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，此時(shí)兩端之間就存在塞貝克電動(dòng)勢(shì)-熱電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象也被稱為塞貝克效應(yīng)。
　　兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極,溫度較高的-端為熱端，溫度較低的一端為冷端,冷端通常處于某個(gè)恒定的溫度。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料,將該材料接到熱電偶冷端。只要兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種材料接入的影響。因此,在熱電偶測(cè)溫時(shí),可通過(guò)冷端補(bǔ)償線接至測(cè)量?jī)x表,測(cè)出熱電動(dòng)勢(shì)后,對(duì)比傳感器分度表,即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。
　　針對(duì)爆炸場(chǎng)高溫高沖擊高壓的特殊環(huán)境,采集瞬時(shí)溫度的動(dòng)態(tài)變化,要求溫度傳感器具有極快的瞬態(tài)溫度響應(yīng)。
2調(diào)理電路設(shè)計(jì)
　　信號(hào)調(diào)理電路主要由:電源轉(zhuǎn)換電路儀表放大器一級(jí)放大電路、模擬開關(guān)二級(jí)放大電路.二階壓控三級(jí)放大濾波電路組成?？傮w設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。
 
2.1電源轉(zhuǎn)換電路
　　電源轉(zhuǎn)換電路包括供電電壓轉(zhuǎn)換和基線電壓轉(zhuǎn)換電路。供電電壓為5V,而電池電壓為8V，因此，電路使用π型濾波器和軌到軌低功耗電源轉(zhuǎn)換芯片LP2985,實(shí)現(xiàn)了8V轉(zhuǎn)5V電源轉(zhuǎn)換電路。設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。
 
　　與以往設(shè)計(jì)不同，在電路中加入了1V基線,這樣當(dāng)熱電偶輸出負(fù)壓時(shí)，后續(xù)電路也能捕捉到熱電偶的完整的溫度曲線電路即可測(cè)相對(duì)低溫。基線電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。通過(guò)調(diào)節(jié)同相輸入端的兩個(gè)電阻來(lái)調(diào)節(jié)基線電壓，需用的電阻為7kΩ和1kΩ,輸出電壓為500mV,經(jīng)過(guò)二階濾波電路放大，最終基線為1V。
 
2.2儀表放大器--級(jí)放大電路設(shè)計(jì)
　　一款采用了軌到軌輸出的.低電壓、單電源、低成本的CMOS儀表放大器。該芯片可用作醫(yī)療儀器放大器、工業(yè)傳感器放大器(如電橋、TRD、熱電偶等).低成本的自動(dòng)化儀表、還可用于通信.語(yǔ)音處理、測(cè)試設(shè)備中。
它的主要特性如下:
輸入阻抗非常高,達(dá)到10MS或者3pF;
溫漂比較小:±5uV/℃;
共模抑制比較高:INA155的CMRR≥80DB;
增益可調(diào):輸出增益在10~50之間,增益通過(guò)調(diào)節(jié)一只外接電阻實(shí)現(xiàn),增益調(diào)整方便;
帶寬較寬:增益為50時(shí)帶寬為110kHz,增益為10時(shí)帶寬為550kHzP。
電路采用兩級(jí)運(yùn)放,運(yùn)算公式為:
 
　　選用的K型熱電偶的輸出電壓范圍--6.5mV~54.9mV,而且調(diào)理電路輸出電壓要求在0~2.5V范圍,Rc選用70kΩ電阻，即儀表放大器放大15倍。REF引腳接入500mV直流信號(hào)，使儀表放大器輸出帶有500mV偏置電壓。
2.3模擬開關(guān)二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)
　　可調(diào)放大倍數(shù)是一大特點(diǎn),而實(shí)現(xiàn)此功能的就是模擬開關(guān)。MAX4638是8選1模擬多路復(fù)用器,它使用+1.8V至+5.5V單電源供電;可以處理軌到軌模擬信號(hào);開關(guān)切換時(shí)間僅為7ns。選用模擬開關(guān)MAX4638,實(shí)現(xiàn)同相比例運(yùn)算電路反饋電阻的選擇,從而實(shí)現(xiàn)了不同的放大增益。另外,在此運(yùn)放的同相和反相輸入端都加入了500mV的直流信號(hào),這樣在熱電偶輸出負(fù)信號(hào)時(shí)，也可保證電路輸出電壓為正，這樣才能滿足后續(xù)電路AD的要求。
2.4二階壓控低通濾波放大電路設(shè)計(jì)
　　三級(jí)放大電路采用二階壓控濾波電路,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的放大和低通濾波,使輸出信號(hào)滿足后續(xù)電路的要求。如圖2所示,電路既引入了負(fù)反饋,又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí)，由于C1的電抗趨于無(wú)窮大,因而正反饋很弱:當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí),由于C2的電抗趨于零，因而Up(s)趨于零。因此,只要正反饋引入得當(dāng),就既可能在f=fo時(shí)使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會(huì)因正反饋過(guò)強(qiáng)而產(chǎn)生自激振蕩。設(shè)C1=C2=C。傳遞函數(shù)為:
 
　　只有當(dāng)Aup(s)小于3時(shí),電路才能穩(wěn)定工作而不產(chǎn)生自激振蕩。
　　R1=R2因此Aup(s)=2,滿足要求。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　　設(shè)計(jì)制成板后調(diào)試電路可分為以下幾部分:電源管理調(diào)試,基線電壓調(diào)試;一、二、三級(jí)放大電路調(diào)試,濾波電路調(diào)試。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量,電路板電源穩(wěn)定，基線平穩(wěn)噪聲小。用信號(hào)發(fā)生器給電路輸入正弦信號(hào),調(diào)節(jié)不同的放大倍數(shù),實(shí)測(cè)最大放大倍數(shù)(10倍)時(shí)輸出電壓與理論值誤差小于百分之一(低頻)。同時(shí)改變頻率(信號(hào)發(fā)生器輸入振幅4mV正弦波，無(wú)偏置，10倍放大倍數(shù)),實(shí)測(cè)不同頻率下的峰峰值如表1所示。
 
　　實(shí)驗(yàn)理論峰峰值為2.2V,由表看出在ƒ=100kHz時(shí)輸出峰峰值為1.96V,增益為0.768,滿足設(shè)計(jì)要求。將電路板接K型熱電偶和采集電路,用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行高溫瞬態(tài)校準(zhǔn)后，在導(dǎo)彈爆炸場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。
 
4結(jié)束語(yǔ)
　　針對(duì)鎳鉻-鎳硅K型熱電偶的輸出特性，利用INA155.MAX4638等設(shè)計(jì)了一套單電源,性能穩(wěn)定可靠的調(diào)理電路。經(jīng)實(shí)際測(cè)試該電路噪聲較小,在不同的放大倍數(shù)下均能達(dá)到較高的精度。該調(diào)理電路配合一定的采集電路即可組成一套測(cè)溫儀，另外只要將MAX4638用來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的8個(gè)電阻替換掉，也可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的熱電偶,同樣功能的信號(hào)調(diào)理。