空調自控系統中常用傳感器

第三章空調自控系統中常用器件的特性本章主要講授內容：一、空調系統中常用的溫度傳感器㈠、熱電阻溫度傳感器㈡、金屬氧化物半導體溫度傳感器㈢、半導體PN結熱敏電阻溫度傳感器二、溫度變送器的特性三、濕度控制器、傳感器和變送器㈠、毛發（尼龍）式濕度控制器㈡、氯化鋰濕度傳感器㈢、半導體陶瓷濕度傳感器㈣、電容濕度傳感器學習目標及要求：1、了解空調自控系統中常用傳感器的類型；2、熟知傳感器與變送器的基本定義；3、掌握熱電阻溫度傳感器的原理及分度號的含義；4、理解正溫度系數熱敏電阻與負溫度系數熱敏電阻的概念；5、了解幾種常用熱敏電阻的基本特性；6、了解常用濕敏傳感器的作用及基本特性；7、基本掌握空調系統中常用傳感器的使用方法及原則；一、空調系統中常用的溫度傳感器1、傳感器的基本定義：最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會（IEC）的定義為：傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。2、傳感器的作用：傳感器主要應用在自動測試與自動控制領域中。它將諸入壓力、溫度、流量、位移等參數轉換為電量，然后，通過電的方法進行測量和控制。3、空調系統中常用的溫度傳感器的種類：⑴、金屬材料制成的熱電阻溫度傳感器；⑵、金屬氧化物半導體材料制成的熱敏電阻式溫度傳感器；⑶、由半導體PN結制成的半導體熱敏電阻溫度傳感器；通常稱：①、金屬熱電阻；通常稱為熱電阻；②、半導體熱電阻；通常稱為熱敏電阻；4、空調系統常用溫度傳感器的外形圖片①、熱電阻傳感器；②、金屬氧化物半導體熱敏電阻傳感器；③、半導體PN結熱敏電阻傳感器；㈠、熱電阻傳感器1、熱電阻傳感器的定義：物資的電阻率隨溫度變化而變化的物理現象稱為熱電阻效應。利用電阻隨溫度變化而變化的特性（即熱電阻效應）制成的傳感器稱為熱電阻傳感器。2、熱電阻傳感器的作用：熱電阻傳感器主要用于檢測溫度和與溫度有關的參量；因此也稱為熱電阻溫度傳感器。3、金屬熱電阻溫度傳感器⑴、空調系統常用金屬熱電阻溫度傳感器結構與外形;①、結構示意圖金屬絲通常用：鉑、銅、鐵和鎳；②、外形①⑵、金屬熱電阻溫度傳感器的測溫原理熱電阻是熱電阻溫度計的測溫元件，它是利用金屬導體電阻值隨溫度變化而變化的特性來實現溫度測量的。金屬導體電阻值與溫度的關系為:式中：Rt－溫度為t℃時電阻值；R0－溫度為t0（通常為0℃）時電阻值；a－溫度系數，即溫度每升高1℃時的電阻相對變化量；Δt－溫度變化量；ΔRt－溫度改變Δt時的電阻變化量。⑶、對金屬熱電阻材料的要求：①電阻溫度系數a要大，最好是常數；②電阻率ρ應盡可能大；③在熱電阻使用溫度范圍內，材料的物理和化學性能穩定；④加工性能好，價格便宜；比較符合以上要求的金屬材料有：鉑、銅、鐵、鎳；使用最廣泛的是：鉑和銅；⑷、金屬熱電阻溫度傳感器的特點：①、結構簡單、工作可靠、電阻溫度特性好、測溫靈敏度高、精度高、測溫范圍較廣（－200℃～＋650℃）。②、阻值－溫度（R－t）特性：溫度每升高1℃，熱電阻的阻值升高約0.4％～0.6％。即電阻溫度系數較小。③、正溫度系數熱敏電阻；④、阻值與溫度不是線性變化，但在一定的范圍內可進似為常數（線性變化）。⑸、熱電阻傳感器的主要技術數據①、分度號：熱電阻的分度號是以熱電阻在0℃時的電阻值來標記的，以便與相應的調節器配套使用。我國常用的工業鉑熱電阻分度號主要有：①、BA1：取R0=46.00?；②、BA2：取R0=100.00?；③、BA3：取R0=300.00?；常用的為：Pt100（分度號）；國際產品：Pt300、Pt1000、Pt3000等；銅熱電阻分度號有：R0=Cu50；R0=Cu100；LU-907M智能PID比例調節器的技術參數：②、百度電阻比：R100－溫度為100℃時鉑電阻的電阻值；R0－溫度為0℃時鉑電阻的電阻值；國際溫標規定，要求標準鉑熱電阻:W（100）≥1.3925W（100）越大，純度越高；鉑的電阻值與其純度密切相關，純度越高，其電阻率越大。鉑的純度通常用百度電阻比W（100）表示：③、阻值－溫度（Rt－t）特性例：溫度在0℃～850℃范圍內時：熱電阻的阻值隨溫度變化關系稱為熱電阻的阻值－溫度（Rt－t）特性；式中：A－是實驗確定的常數，A＝3.96847×10-3℃-1B－是實驗確定的常數，B＝-5.847×10-7℃-2④、幾種常用國產熱電阻技術參數表⑹、金屬熱電阻的時間常數：①、時間常數T；②、延遲時間τ；③、動態特性；時間常數一般在：

10S～4min之內;大熱慣性：在1.5min～4min之內；一般熱慣性：在10S～1.5min之內；小熱慣性：在10S之內；㈡、金屬氧化物半導體熱敏電阻金屬氧化物半導體熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的溫度敏感元件。金屬氧化物半導體熱敏電阻通常用鐵、鎳、鈦、鎂、銅等金屬氧化物按一定的比例混合經高溫燒結而成。通過改變其中氧化物的成分和比例，可以得到不同測溫范圍、阻值和溫度系數的NTC熱敏電阻。1、金屬氧化物半導體熱敏電阻的基本類型⑴、半導體熱敏電阻的類型：①、負溫度系數熱敏電阻（NTC）；②、正溫度系數熱敏電阻（PTC）；③、臨界溫度（突變溫度）系數熱敏電阻（CTR）；⑵、幾種常用半導體熱敏電阻的特性曲線：⑶、部分半導體熱敏電阻外形封裝圖片金屬管封裝；玻璃封裝；塑料封裝；環氧樹脂封裝；2、負溫度系數半導體熱敏電阻的特性⑴、電阻值與溫度的關系（Rt－t）如下：式中:RT、RT0－溫度為T、T0（K）時的溫度值；B－溫度系數，大約為1500～5000K；⑵、B參數：通常是指溫度在25℃（T1）和50℃（T2）的B值：式中:B－常數；R1－在溫度為T1（K）時的電阻值；R2－在溫度為T2（K）時的電阻值；T1、T2－溫度；⑶、溫度－電阻特性曲線RRC4-2熱敏電阻特性曲線KG2T系列熱敏電阻特性曲線3、負溫度系數熱敏電阻的線性化處理①、采用并聯電阻的方式，進行簡易的線性化處理。③、靈敏度降低②、以t1為中心確定并聯電阻的阻值；4、負溫度系數半導體熱敏電阻的特點①、結構簡單、靈敏度高、熱響應時間短（小于1S）、穩定性好、壽命長、體積小。②、阻值－溫度（R－t）特性：溫度每升高1℃，熱電阻的阻值升高較大。即電阻溫度系數較大，是鉑電阻的4～9倍。③、阻值與溫度為非線性變化關系，互換性較差；通常在使用時都進行線性化處理。例：采用半導體熱敏電阻冰箱控制電路㈢、半導體PN結溫度傳感器1、種類：半導體PN結溫度傳感器是利用半導體PN結兩端電壓隨溫度變化而變化的原理工作的。①、二極管溫度傳感器②、晶體管溫度傳感器③、集成溫度傳感器；2、二極管溫度傳感器⑴、二極管溫度傳感器工作原理根據PN結理論，對于一個理想的二極管，只要正向電壓Uf大于幾個kT/q0，其正向電流IF與正向電壓Uf和溫度T之間的關系可表示為：在溫度二極管的正向電壓UF與溫度T之間的關系，在一定的電流下，其正向電壓隨溫度的升高而降低，故呈現負溫度系數。通常為：-2mV/℃。⑵、二極管正向電壓與溫度的關系曲線硅二極管1N457鍺二極管1N270正向電壓隨溫度變化曲線；⑶、二極管溫度傳感器的特點：簡單、價廉、線性度較好；但互換性較差；工作溫度范圍一般在-50～150℃范圍內；⑷、硅二極管溫度傳感器應用3、晶體三極管溫度傳感器二極管溫度傳感器存在的不足：①、自熱溫升對測量精度的影響較大；②、工作電流較?。?00uA）;③、互換性差；⑴、NPN型三極管溫度傳感器的工作原理NPN三極管在集電極電流IC恒定時，基極和發射極間的電壓UBE隨環境溫度變化而變化。若集電極電流IC恒定則電壓U僅隨溫度T呈單調單值函數關系。⑵、硅三極管UBE電壓與溫度關系曲線溫度系數為-2.4mV∕℃；測溫范圍-50℃～200℃；⑶、三極管溫度傳感器的特點：結構簡單、靈敏度高、熱響應時間短（小于1S）、精度高、壽命長、體積小。阻值－溫度（R－t）特性好。是負溫度系數（NTC）熱敏電阻；阻值與溫度為線性變化關系，穩定性和互換性好。4、集成溫度傳感器⑴、集成溫度傳感器的定義:集成溫度傳感器是將溫度傳感器與放大電路，偏置電源及線性化集成電路等采用集成化技術制作在同一塊芯片上制成。⑶、集成溫度傳感器按輸出信號的形式分：電壓型；電流型；⑷、使用溫度范圍：－50～150℃⑵、優點：測溫精度高（精±0.5℃）復現性好；線性好，體積小；熱容量小、穩定性好；輸出電信號大；⑸、集成溫度傳感器LM35性能介紹LM35的溫度系數為：10mv∕℃；常溫下測量精度為：±0.5℃；最大功耗電流為：70uA;自身發熱對測量精度的影響在

0.1℃以內；采用4V以上單電源供電時，測溫范圍為：2～150℃；采用雙電源供電時，測溫范圍為：

-55～+150℃（金屬封裝）；

-40～+110℃（T092封裝）；⑹、采用二線式接法的LM35測溫電路電路特點：信號以電流形式取出，因而不會產生由導線電阻損耗引起的誤差；RP1用于滿刻度調整；RP2用于調零；5、上述溫度傳感器的特性小結：⑴、熱電阻溫度傳感器是根據金屬導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理測溫的；溫度升高電阻值增大,稱為正溫度系數（PTC）熱電阻。在一定范圍內溫－阻特性基本呈線性變化；⑵、金屬氧化物半導體材料制成的熱敏電阻其溫度特性為：溫度升高，電阻值減小，通常被稱為負溫度系數（NTC）熱敏電阻。溫－阻特性呈非線性變化；5、上述溫度傳感器的特性小結：⑶、半導體PN結制成的半導體熱敏電阻是根據PN結正向壓降隨溫度變化的原理工作的。也是負溫度系數（NTC）熱敏電阻。溫－阻特性基本呈良好的線性變化；二、溫度變送器1、溫度變送器的定義：將溫度傳感器輸出的信號變換為標準電壓或電流的器件稱為溫度變送器；2、變送器的作用及數學表達式⑴、變送器的作用:①、把傳感器輸入的非電量（電量）信號轉換為標準的電量信號（電壓：0～10VDC、電流:4～20mADC等）；②、對輸入信號進行線性化放大與處理；③、變送器通常由電子線路組成，因此電子線路本身的時間常數、滯后都比較小；與傳感器相比較通常可以忽約。⑵、變送器的

數學表達式:式中:BZ－變送器輸出的標準信號；θz－傳感器測量信號（傳感器輸出信號）；KB－變送器的放大系數（靜態特性）。⑶、變送器的傳遞函數:3、溫度變送器工作原理及方框圖：三、濕度（敏）傳感器㈠、濕空氣的狀態參數：在空氣調節技術中，常用的狀態參數是壓力、溫度、含濕量、相對濕度、比焓及密度；⑴、壓力：濕空氣是由干空氣和水蒸氣組成的混合氣體，其總壓力P應等于干空氣的分壓力Pg與水蒸氣的分壓力Pq之和；即：P=Pg+Pq;

水蒸氣分壓力的大小，反映了濕空氣中水蒸氣含量的多少。濕空氣的溫度越高，空氣中飽和水蒸氣分壓力也就越大，說明空氣能容納的水氣數量越多。水蒸氣分壓力是衡量濕空氣干燥與潮濕的基本指標，是一個重要的參數。⑵、溫度：是表示濕空氣冷熱程度的指標；⑶、含濕量（d）：是指1kg干空氣所帶有的水蒸氣質量，其單位是g∕kg（干空氣）。它是表示濕空氣濕度大小的重要參數之一。在空氣調節中，常用含濕量來表示空氣被加濕或減濕的程度。⑷、相對濕度（φ）：是指空氣中水蒸氣分壓力Pq與同溫度下飽和水蒸氣分壓力Pqb之比；它表示空氣接近飽和的程度；★絕對濕度給出的是空間內水分的具體含量；★而相對濕度則指出了大氣的潮濕程度；㈡、濕度傳感器的分類：主要有兩大類：1、水分子親和力型濕敏傳感器；碳膜濕敏傳感器、電解質濕敏傳感器、高分子材料濕敏傳感器、金屬氧化物膜濕敏傳感器、金屬氧化物陶瓷濕敏傳感器等。2、非水分子親和力型濕敏傳感器；熱敏電阻式濕敏傳感器、紅外濕敏傳感器、超聲波濕敏傳感器等。㈢、對濕度傳感器的技術要求：1、使用壽命長，長期工作的穩定性好；2、測量范圍寬，濕度和溫度系數??；3、靈敏度高、感濕特性線性度好；4、濕滯回差小；5、響應速度快，時間短；6、一致性和互換性好，制造工藝簡單，易于批量生產，轉換電路簡單，成本低廉；7、能在惡劣環境下工作；㈣、濕度傳感器的主要參數：1、感濕特性曲線：感濕特性曲線是指濕度傳感器的輸出量與被測環境濕度間的關系曲線；2、測濕量程：測濕量程是指濕敏傳感器能以規定的精度測量的最大范圍；3、靈敏度：常用感濕特性曲線的斜率來定義靈敏度，即靈敏度是輸出量增量與輸入量增量之比；4、濕度溫度系數：濕度傳感器的特性往往隨環境溫度的變化而變化，即在不同的環境溫度下有不同的感濕特性曲線。5、響應時間：當環境濕度改變時，濕度傳感器完成吸濕或脫濕以及動態平衡過程所需要的時間，稱為響應時間；6、濕滯回線和濕滯回差：7、電壓特性：由于直流電壓回造成水分子的電解，會導致電導率隨時間下降，因此測試電壓應采用交流電壓；濕敏傳感器的電壓特性是指感濕特征量與外加交流電壓之間的關系；㈤、空調系統中常用濕度傳感器1、種類：⑴、毛發濕度傳感器（控制器）；⑵、氯化鋰濕度傳感器；⑶、半導體陶瓷濕度傳感器；⑷、電容式濕度傳感器；2、常用濕度傳感器外形結構圖⑴、毛發式濕度控制器⑵、氯化鋰濕度傳感器⑷、電容式濕度傳感器⑶、半導體陶瓷濕度傳感器3、毛發式濕度控制器⑴、組成與結構：1、感濕毛發束；2、乙型杠桿；3、平衡彈簧；4、電觸點；5、濕度指示；6、角形調節杠桿；7、濕度控制調節螺釘；⑵、工作原理與作用根據毛發在在不同的空氣濕度下伸縮率不同的特性，利用其長度發生變化產生的位移量作用濕度控制信號，通過不同形式的控制器、放大器、執行器來控制空氣的相對濕度。對加濕器或除濕機進行雙位控制；⑶、特點：測量范圍：20％～96％；控制范圍在40％～80％時有較好的線性度；控制精度較低（大于±5％）；結構簡單、工作可靠、價格便宜、不需要經常維護；毛發或尼龍薄膜長時間使用后，易產生變形和老化；屬于觸點式控制型器件；4、氯化鋰濕度傳感器⑴、傳感器的組成結構：①、絕緣材料底版；②、電極：材料：鉑或鍍金鉑；③、氯化鋰溶液；④、金屬鉑絲或銥絲；⑤、塑料支座；⑥、電極；⑵、工作原理：氯化鋰(LiCl)是一種在大氣中不分解、不揮發，也不變質而具有穩定的離子型無機鹽類。它具有吸濕、放濕的特性，其吸濕量與空氣相對濕度成一定的函數關系。隨著空氣相對濕度的變化，氯化鋰吸濕量也隨著變化。只有當它的蒸氣壓等于周圍空氣的水蒸氣分壓力時，才處于平衡狀態。因此，隨著空氣相對濕度的增加，氯化鋰的吸濕量也隨著增加，從而使氯化鋰中導電離子數增加，最后導致它的電阻減少。當氯化鋰的蒸氣壓高于空氣中水蒸氣分壓力時，氯化鋰放出水分，導致電阻增大。⑶、氯化鋰濕度傳感器的性能參數與特點①、性能參數：測量范圍較寬15％～95％RH；測量精度±2％～5％RH；線性度較好的測量范圍：45％～70％RH；溫度對測量精度影響較大；最高使用溫度≤55℃；②、性能特點：傳感器必須使用交變電壓；使用環境應保持清潔、無粉塵與纖維；穩定性不太高，會出現測量漂移；⑷、氯化鋰濕度傳感器的應用原理方框圖特點：①、溫度，相對濕度同時檢測，為了保證檢測精度，采用溫度信號對相對濕度信號進行補償方式；②、輸出信號為標準電壓或電流信號；5、半導體陶瓷濕敏電阻（燒結型）⑴、組成結構示意圖1－二氧化鈦與氧化鉻鎂復合型感濕陶瓷；2－陶瓷基片；3－鍍鎂絲引線；4－金短路環；5－鎳烙絲加熱清洗線圈；6－金電極；⑵、半導體陶瓷濕敏電阻的特點：①、使用壽命長，可在惡劣環境下工作；②、可檢測到1%RH低濕狀態；③、響應快、測量精度高；④、使用范圍寬，以及濕滯回差??；⑤、使用過程中需經常進行電加熱清洗；⑶、SM-1型半導體陶瓷濕敏元件的性能曲線①、濕敏元件的感濕特性曲線；②、濕敏元件的加熱清洗特性；6、電容濕度傳感器與變送器⑴、電容濕度傳感器的結構及外形圖⑵、電容濕度傳感器工作原理根據電容器電容量的關系：式中：C－電容量；ε－極板間介質的介電時間常數（F∕m）；A－兩平行極板間的相互覆蓋的有效面積（m2）；δ－兩平行極板間的距離（m）；電容量C直接受到ε、A、δ的影響；①－金屬極板；②－金屬極板；③－感濕聚合物電介質薄膜；⑵、電容濕度傳感器工作原理電容濕度傳感器是利用當濕度變化時，改變極間介質的介電常數，通過測量電容量來測量相對濕度的。極間介質選擇具有吸濕，放濕特性的極薄的聚合物薄膜，電極采用金箔制成，要求薄到能允許水蒸氣通過。由于聚合物薄膜的吸、放濕特性，使其含水量隨著空氣相對濕度變化而變化。水的介電常數與空氣的介電常數相差很大，所以，當水分子被聚合物吸收后，將使平板電容器電容量產生很大的變化，通過檢測電容器的電容量變化值，即可知道空氣的相對濕度；⑶、電容濕敏變送器特性曲線②、主要技術參數:輸出電壓0～10V；測量濕度范圍：

0％～95％RH；環境溫度范圍：0～55℃；測量精度：±3％～±5%；通常濕敏電容傳感器不單獨使用，都是做成濕敏變速器后使用；①、性能特性曲線：⑷、濕度電容變送器的性能特點①、溫度穩定性好；②、需要的動作能量低；③、動態響應快；④、可獲得較大的濕度相對變化量；⑤、結構簡單，可在惡劣環境下工作；⑥、不需要加清洗電壓；例1：除濕控制電路原理通常濕敏電阻的阻值隨環境相對濕度的增大而減小；例2：帶溫度補償的濕度測量儀電路本章小結：1、傳感器的基本定義：最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會（IEC）的定義為：傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。2、傳感器的作用：傳感器主要應用在自動測試與自動控制領域中。它將諸入壓力、溫度、流量、位移等參數轉換為電量，然后，通過電的方法進行測量和控制。3、幾種溫度傳感器的特性：①、金屬熱電阻溫度傳感器：金屬熱電阻傳感器是利用金屬導體電阻值隨溫度變化而變化的特性來實現溫度測量的，并按正溫度系數特性變化。②、金屬氧化物半導體溫度傳感器：金屬氧化物半導體熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的溫度敏感元件。通過改變其中氧化物的成分和比例，可以得到不同測溫范圍、阻值和溫度系數的熱敏電阻。③、金屬氧化物半導體溫度傳感器的類型：負溫度系數熱敏電阻（NTC）；正溫度系數熱敏電阻（PTC）；臨界溫度（突變溫度）系數熱敏電（CTR）；④、半導體二極管溫度傳感器：半導體PN結溫度傳感器是利用半導體PN結兩端電壓隨溫度變化而變化的原理工作的。二極管溫度傳感器具有正的溫度特性；具有簡單、價廉、線性度好的優點；互換性較差；⑤、晶體管溫度傳感器與集成溫度傳感器晶體管溫度傳感器與集成溫度傳感器具有負的溫度系數；阻值與溫度為線性變化關系，穩定性和互換性好。結構簡單、靈敏度高、熱響應時間短（小于1S）、精度高、壽命長、體積小。阻值－溫度（R－t）特性好。4、變送器的定義：將傳感器輸出的信號變換為標準電壓或標準電流的器件稱為變送器；通常轉換為：