第4章4-1现代机电产品设.doc

第4章 机电控制中的传感元件
第4章 机电控制中的传感元件
传感器GB7665-87定义：
能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置
传感器分类：
分类方法
传感器种类
说 明
被测量(输入量)
位移、速度、加速度、温度、压力传感器等

工作原理
应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等

物理现象
结构型
传感器依赖其结构参数变化实现信息转换
物性型
传感器依赖其敏感元件物理特性变化实现信息转换
能量关系
能量转换型（发电型）
直接将被测量的能量转换为输出量的能量
能量控制型（参量型）
借助辅助能源将输入的能量转换为输出量的电量
输出信号
模拟式
输出为模拟量
数字式
输出为数字量
综合（厂家）
压电式加速度传感器、磁电式速度传感器等

GB7666-87传感器命名方法及代号：
主称(传感器，C)被测量转换原理序号
CWY-YB-10 应变式位移传感器
CY-XZ-50 谐振式压力传感器

传感元件作用：控制执行元件

§4-1 温度传感元件(热敏感元件)
接触式测温方法、非接触式测温方法
直接式温度传感元件、间接式温度传感元件
直接式温度传感元件：直接将温度转变成机械位移量变化的传感器
间接式温度传感元件：温度变化→电信号→机电执行元件完成机械动作的传感器
一、直接式温度传感元件
1、双金属片
原理：
测温敏感元件由两种热膨胀系数不同的金属箔片组合而成
一端固定，一端自由。温度变化时，两者伸缩不一致发生弯曲，自由端产生位移

表征双金属片的特性参数：
1)比弯曲K
单位厚度的双金属片温度变化1℃时的曲率变化量，单位1/℃
2)线性温度范围
双金属片的弯曲位移量与温度成线性关系的温度范围
主要取决于组成材料的热膨胀性
3)允许使用温度范围
当温度应力达到热双金属片弹性极限时的温度
4)热滞后特性
温度上升使双金属片变形动作后，只有当温度下降到一定值后，才能使双金属片恢复到变形前的形状
热金属片按使用要求分：
普通型、高敏感型、高温型、低电阻率型、耐腐蚀型、低温型等
按形状可分为：直条形、蝶形等
应用：
制作自动调节装置的敏感元件

2、压力式热膨胀型温度传感器
利用液体、气体或蒸汽随温度上升体积膨胀而产生压力的传感器
感温筒置于被测介质中，随温度生高，筒内的酒精或水银等液体受热膨胀，通过毛细管使波登管端部产生角位移，指示温度值
3、热敏软磁体与形状记忆热敏元件
1)热敏软磁体(感温敏磁钢)
热敏软磁体分：热敏铁氧体和热敏合金软磁体
铁氧体成本低，价格低廉，成品性能一致性差，导热性差
热敏合金软磁体性能均匀，导热快，强度高，寿命长，灵敏度高，控温准确
2)形状记忆热敏元件(形状记忆控温元件)
采用形状记忆合金制成的温度敏感元件
形状记忆合金(SMA)具有形状记忆效应和超弹性特性
形状记忆效应：
合金在高温下定形后，若被冷却到低温产生形变，只要形变温度恢复到高温下所固有的形状——单程(或单向)形状记忆效应
在加热和冷却循环中，能够重复记忆高温状态和低温状态的两种形状——双程(或双向)形状记忆效应
形状记忆合金热敏开关基本结构
单向记忆合金弹簧B在常温下弹性模量小，普通金属弹簧D压缩B使其产生塑性变形→触点断开
升温到一定程度，B恢复原状→伸长，恢复力比D的压缩力大→D压缩带动C向右滑动→触点闭合
降温→反向运动→触点分离
形状记忆合金温控元件优点：
(1)单位温度下位移量大，控制精度高
(2)元件形状多(丝、片、棒、管等)，利于完成复杂的开关动作
(3)元件寿命长(可工作数十万次)

二、间接式温度传感元件
1、热敏电阻器(阻结变化型热敏传感器)
类型：金属电阻器，半导体热敏电阻器
金属电阻器利用金属(铜、镍、铂等)的电阻值随温度升高而增大的特性制成
电阻变化量小，灵敏度较低，输出线性度好——温度精密测量
1)热敏电阻器工作原理
热敏电阻器按电阻值随温度变化趋势分：
负温度系数热敏电阻器(NTC)、正温度系数(PTC)、临界温度系数型(CTR)热敏电阻器
(1)负温度系数热敏电阻器(NTC)
电阻值随温度升高而减少，色标标记为绿色
以金属锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)等2～3种氢化物混合成型，采用陶瓷工艺制成
适于-100～3000C温度测量
(2)正温度系数热敏电阻器(PTC)
电阻值随温度升高而增大，色标标记为红色
在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入微量稀土元素构成的烧结体
适于-40～3000C温度测量
(3)临界温度系数型热敏电阻器(急变型热敏电阻器)
——用V、Ge、W、P等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体制成
具有正/负温度系数，色标标记为白色
在某个温度范围内阻值急剧变化曲线斜率在此区段特别陡峭，灵敏度极高
使用温度0～1500C

根据半导体理论，热敏电阻在温度T时的电阻

式中 B——与材料有关的常数。一般在2000～4500K范围内
电阻温度系数

指出：
B常数不是固定值，而是温度T函数。不同厂家生产的热敏电阻B值不一样
如果被测温度较低，且不需要很高精度时，一般把B看成常数
热敏电阻的温度系数随温度减小而增大——低温时温度系数大，灵敏度高→低温测量
优点：
①电阻温度系数较大，灵敏度高
②热敏元件体积小，热惯性小，时间常数小，响应速度快
③热敏元件电阻值大，远距离测量时导线电阻影响可忽略
④在-50～350°C范围内，稳定性较好
缺点：
①非线性大
②互换性和稳定性差
③对环境温度的敏感性大

2、热电偶
1)工作原理
将两种不同的导体A、B构成闭合回路，两接点置于不同的温度中，在该回路中产生热电势的现象——热电效应
物理学知道，产生的热电势由温差电势和接触电势组成
(1)温差电势(汤姆逊电势)
，
(2)接触电势(伯尔电势)
、
热电偶总电势
接触电势远大于温差电势
热电偶材料选定后，总电势只取决于温度

固定低温端(冷端)温度，总电势只与热端温度有关
构成热电偶的材料要求：
①在所测量温度范围内，灵敏度高，线性好；
②熔点足够高，物理化学性能稳定；
③导电性和抗氧化性能良好，电阻温度系数小
常用热电偶材料：
铂铑10—铂、镍铬—镍铝、镍铬—康铜、铜—康铜、铁—康铜等
使用热电偶时注意：
(1)热电偶的热电势是直流，注意正负极性
(2)控温用热电偶其自由端(参比端)往往靠近热源，温度波动大，常用补偿导线将热电偶两个自由冷端从热源附近延伸至远处温度较恒定点
(3)热电偶电路中允许接入具有两端温度相同的金属材料——中间导体定律
(4)使用热电偶时，对冷端温度进行修正
(5)考虑所需测定的温度与范围
基本热电电路
① 平均温度测量
在温度场中选取若干测点，分别安上电阻值、热电特性均相同的热电偶，以并联方式共接于一台测温仪表，并联输出端的电势就是各支热电偶产生热电势的平均值，反映了各个测点的平均温度
② 两点温度测量
选用两支相同型号的热电偶，采用差动连接方式，输出的热电势就是两个测点之间的温度差
如在管道进、出口处测量冷却水、润滑油的温度差
③多点温度测量
将多支热电偶同接于一台测温仪表，旋动转换开关，使仪表分别同各支热电偶相接，就可逐一测得各个测点的温度
④自然热电偶法
指两种金属表面相互紧压形成的热电偶，接触处即为工作端。维持其冷端温度固定，并标定两种材料的热电关系，可由热电势确定接触处的温度
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