傳感器設(shè)計論文

1、傳感器課 程 論 文 課程名稱： 傳感器技術(shù) 論文題目： 溫度的傳感器設(shè)計 學(xué) 院： 合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 系 別： 機械工程系 專 業(yè)： 機電一體化 機電1301 學(xué) 號： 11130156 學(xué)生姓名： 張印 指導(dǎo)教師： 邢老師 日 期： 2015 年 1 月 4日 傳感器的應(yīng)用、發(fā)展前景及其目前的發(fā)展趨勢近年來，國內(nèi)外溫度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了很大的進步。溫度傳感器正從結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能簡單向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代溫濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將溫度測量技術(shù)提高到新的水平。國內(nèi)數(shù)字溫度儀測量溫濕度采用的主要方法有:“溫阻”法,即采用電阻型的溫度傳感器,利用其阻值

2、隨溫度的變化測量空氣的溫度。受傳感器靈敏度的限制,這類溫濕度儀的精度不是很高,一般條件下還可以滿足需要,但是在環(huán)境實驗設(shè)備等對精度要求較高的場合就難以滿足要求了。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及工業(yè)化的進步,溫度不僅僅表現(xiàn)在以上幾個方面直接或間接影響著人類基本生活條件, 還表現(xiàn)在對工生物制品、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)研究、國防建設(shè)等方面的影響。針對以上情況，研制可靠且實用的溫度控制器顯得非常重要。常用溫度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使溫度的測量方法和手段相對較復(fù)雜，且給電路的調(diào)試帶來很大的困難。傳統(tǒng)的溫度測量多采用模擬小信號傳感器，不僅信號調(diào)理電路復(fù)雜，且溫度值的標(biāo)定過程也極其復(fù)雜，并需要使用昂貴的標(biāo)定儀器設(shè)備

3、。因此對于溫濕度控制器的設(shè)計有著很大的現(xiàn)實生產(chǎn)意義。 隨著光學(xué)技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，出現(xiàn)了開關(guān)式溫度測量器、輻射式溫度測量器等溫度測量器，使得溫度測量精度和范圍都有較大的提高，其中應(yīng)用激光技術(shù)測溫打破了傳統(tǒng)的近距測溫，可以針對遠程溫度測量4-5。隨著電子技術(shù)和自動化的發(fā)展，研究開發(fā)出數(shù)字式集成溫度傳感器。這種傳感器是將溫度和數(shù)字電路集成在一起，內(nèi)部包含了溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、接口電路等，有的還有單片機的中央處理器、隨即存取存儲器和只讀存儲器集成在一起，成功的實現(xiàn)了溫度傳感器的數(shù)字化結(jié)構(gòu)。數(shù)字式溫度傳感器的采集精度高、測試的可靠性高、又很強的抗干擾能力，這些都是模擬式溫度傳感器

4、不能達到的，由于引入了數(shù)字式的溫度反饋，有效地改善了比較器的失調(diào)和零點漂移對溫度精度的影響。目前，數(shù)字溫度傳感器已經(jīng)結(jié)合了總線技術(shù)、等接口和主機進行通信，這種數(shù)字化、集成化的傳感器是將溫度傳感器的一個新的發(fā)展方向。溫度傳感器的工作原理熱敏電阻溫度測量傳感器所采用的材料為鉑金，該傳感器應(yīng)用了激光調(diào)阻和濺射成膜等技術(shù)制作形成的。選用鉑電阻的原因是因為其電阻值可以隨著溫度的變化而近似線性的變化，且具有良好的溫度重現(xiàn)性和良好的測試穩(wěn)定性。本文設(shè)計所使用的是鉑膜溫度傳感器，該傳感器零度時的阻值為1000，該電阻的變化率為0.3851/，在測量中薄膜鉑電阻具有體積小，響應(yīng)快，壽命長，測溫范圍寬，在氧化介質(zhì)

5、中性能穩(wěn)定，線性度及精確度高等優(yōu)點，很適合在便攜式測量儀中使用。 由于熱電阻隨溫度變化而引起電阻的變化值較小，如鉑電阻 Pt1000 在零溫度時的阻值 R0=1000，因此，在傳感器與測量儀器之間的引線過長會引起較大的測量誤差，在實際應(yīng)用時，通常是熱電阻與儀器或放大器采用兩線或四線制的接線方式。兩線制的引線電阻：鉑電阻不超過 R0的 0.1%，銅電阻不超過 R0的 0.2%。采用四線制可消除連線過長而引起的誤差。 電橋輸出電壓 V0為 V0=I /2×2R(Rt-Rr) /(2R+Rt+Rr)當(dāng) R>>Rt、Rr時，V0=I /(Rt-Rr)其中Rr為溫漂很小的鉑電阻Rt

6、為可變電阻R 為固定電阻I 為恒流源提供的電流V0為輸出電壓。傳感器的動態(tài)特性根據(jù)本文的設(shè)計，圖1-1為所測得在0 100溫度范圍內(nèi)鉑電阻的阻值和溫度的關(guān)系曲線。并且該圖為傳感器的動態(tài)特性。圖1-1鉑電阻與溫度關(guān)系曲線由圖1-1可以看出，隨著溫度升高鉑電阻的的組織也隨之升高，曲線呈近似線性變化。傳感器的靜態(tài)特性溫度傳感器探頭采用的材料為鉑金，應(yīng)用激光調(diào)阻和濺射成膜等工藝技術(shù)制成。鉑電阻的阻值能夠隨著溫度的變化而近似線性變化，具有良好的溫度重現(xiàn)性和測試穩(wěn)定性。本文采用的是溫度傳感器探頭如圖1-2所示。圖1-2溫度傳感器探頭圖常用的鉑膜溫度傳感器圖1-3 溫度傳感器探頭圖鉑膜溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)鉑膜

7、溫度傳感器的技術(shù)指標(biāo)見下表1.鉑電阻的技術(shù)指標(biāo)  2.熱響應(yīng)時間 在溫度出現(xiàn)階躍變化時，鉑電阻的輸出變化至量程變化50%所需要的時間成為熱響應(yīng)時間，用T0.5表示。  3.鉑電阻絕緣電阻 常溫絕緣電阻的試驗電壓可取直流 10100V 任意值，環(huán)境溫度在1535范圍內(nèi)，相對濕度應(yīng)不大于 80%，常溫絕緣電阻值應(yīng)大于 100M 。 4.鉑電阻允許通過電流 通過鉑電阻的測量電流最大不應(yīng)超過 1mA。 5.公稱壓力一般是指在長溫下，保護管所能承受的不至于破裂的靜態(tài)外壓，承壓數(shù)值的大小

8、同保護管的材料，直徑，壁厚，焊接強度等密切相關(guān)。溫度傳感器是指檢測外界溫度的傳感器，它將所測環(huán)境中的溫度信號轉(zhuǎn)換為便于處理，顯示，記錄的電（頻率）信號等，在很多領(lǐng)域都有普遍的應(yīng)用。溫度傳感器從使用角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類。前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來檢測被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離。檢測從待測物體放射出的紅外線，從而達到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比之下運用較多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用。它是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參數(shù)隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測的裝置，其中將溫度

9、變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱熱電阻傳感器，金屬熱電阻式傳感器簡稱熱電阻，半導(dǎo)體熱電阻式傳感器簡稱熱敏電阻，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電動勢變化的稱為熱電偶傳感器。溫度檢測采用的最基本的是熱電偶式和熱敏電阻式。熱電偶式應(yīng)用廣泛，價格便宜而且耐用，種類多，能夠覆蓋非常寬的溫度范圍，最高溫度可達到2000。所以本文設(shè)計選擇熱敏電阻，該傳感器主要隨溫度的變化阻值發(fā)生變化，主要測量范圍為-200 500溫度范圍內(nèi)測量。其溫度系數(shù)大而且穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，工藝價格低，測溫環(huán)境穩(wěn)定。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在傳感器中間沉積了過渡層氧化鎳,同時為了提高鉑薄膜的焊接連接特性,在鎳薄膜上面又沉積了銅薄膜作為導(dǎo)線層,最后在最外層沉積了三氧化二鋁薄膜作為保護膜,起到絕緣保護的作用,其膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖所示：由于三氧化二鋁的絕緣特性和高硬度、高穩(wěn)定性等特點,可以避免傳感器層和銅導(dǎo)線層的氧化,同時也可以保證傳感器的耐腐蝕和耐沖擊,從而保證傳感器長期穩(wěn)定地工作。設(shè)計小結(jié) 利用鉑薄膜的溫度電阻特性以及磁控濺射鍍膜技術(shù)設(shè)計并制備了薄膜熱阻型溫度傳感器,得到的薄膜傳感器在-200到600攝氏度之間有極高的線性度和穩(wěn)定性,并且通過對