传感器设计论文

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传感器课程论文

课程名称：论文题目：学院：系别：专业：学号：学生姓名：指导教师：日期：传感器技术温度的传感器设计

合肥通用职业技术学院

机械工程系

机电一体化机电1301 11130156 张印

邢老师 2015 年 1 月 4日

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传感器的应用、发展前景及其目前的发展趋势

近年来，国内外温度传感器研发领域取得了很大的进步。温度传感器正从结构复杂、功能简单向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，也将温度测量技术提高到新的水平。国内数字温度仪测量温湿度采用的主要方法有:“温—阻”法,即采用电阻型的温度传感器,利用其阻值随温度的变化测量空气的温度。受传感器灵敏度的限制,这类温湿度仪的精度不是很高,一般条件下还可以满足需要,但是在环境实验设备等对精度要求较高的场合就难以满足要求了。

随着信息产业的发展及工业化的进步,温度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响着人类基本生活条件, 还表现在对工生物制品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。针对以上情况，研制可靠且实用的温度控制器显得非常重要。常用温度传感器的非线性输出及一致性较差，使温度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。传统的温度测量多采用模拟小信号传感器，不仅信号调理电路复杂，且温度值的标定过程也极其复杂，并需要使用昂贵的标定仪器设备。因此对于温湿度控制器的设计有着很大的现实生产意义。

随着光学技术在传感器领域的应用，出现了开关式温度测量器、辐射式温度测量器等温度测量器，使得温度测量精度和范围都有较大的提高，其中应用激光技术测温打破了传统的近距测温，可以针对远程温度测量[4-5]。

随着电子技术和自动化的发展，研究开发出数字式集成温度传感器。这种传感器是将温度和数字电路集成在一起，内部包含了温度传感器、A/D转换器、信号处理器、接口电路等，有的还有单片机的中央处理器、随即存取存储器和只读存储器集成在一起，成功的实现了温度传感器的数字化结构。数字式温度传感器的采集精度高、测试的可靠性高、又很强的抗干扰能力，这些都是模拟式温度传感器不能达到的，由于引入了数字式的温度反馈，有效地改善了比较器的失调和零点漂移对温度精度的影响。目前，数字温度传感器已经结合了总线技术、等接口和主机进行通信，这种数字化、集成化的传感器是将温度传感器的一个新的发展方向。

温度传感器的工作原理

热敏电阻温度测量传感器所采用的材料为铂金，该传感器应用了激光调阻和溅射成膜等技术制作形成的。选用铂电阻的原因是因为其电阻值可以随着温度的变化而近似线性的变化，且具有良好的温度重现性和良好的测试稳定性。

本文设计所使用的是铂膜温度传感器，该传感器零度时的阻值为1000Ω，该电阻的变化率为0.3851Ω/℃，在测量中薄膜铂电阻具有体积小，响应快，寿命长，测温范围宽，在氧化介质中性能稳定，线性度及精确度高等优点，很适合在便携式测量仪中使用。

由于热电阻随温度变化而引起电阻的变化值较小，如铂电阻 Pt1000 在零温度时的阻值

R0=1000，因此，在传感器与测量仪器之间的引线过长会引起较大的测量误差，在实际应用时，通常是热电阻与仪器或放大器采用两线或四线制的接线方式。两线制的引线电阻：铂电阻不超过 R0的 0.1%，铜电阻不超过 R0的 0.2%。采用四线制可消除连线过长而引起的误差。

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电桥输出电压 V0为

V0=I /2×2R(Rt-Rr) /(2R+Rt+Rr)当 R>>Rt、Rr时，V0=I /(Rt-Rr) 其中

Rr为温漂很小的铂电阻 Rt为可变电阻 R 为固定电阻

I 为恒流源提供的电流 V0为输出电压。

传感器的动态特性

根据本文的设计，图1-1为所测得在0℃～ 100℃温度范围内铂电阻的阻值和温度的关系曲线。并且该图为传感器的动态特性。

图1-1铂电阻与温度关系曲线

由图1-1可以看出，随着温度升高铂电阻的的组织也随之升高，曲线呈近似线性变化。

传感器的静态特性

温度传感器探头采用的材料为铂金，应用激光调阻和溅射成膜等工艺技术制成。铂电阻的阻值能够随着温度的变化而近似线性变化，具有良好的温度重现性和测试稳定性。本文采用的是温度传感器探头如图1-2所示。

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图1-2温度传感器探头图

常用的铂膜温度传感器

图1-3 温度传感器探头图

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铂膜温度传感器技术指标

铂膜温度传感器的技术指标见下表 1.铂电阻的技术指标

2.热响应时间

在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化50%所需要的时间成为热响应时间，用T0.5表示。

3.铂电阻绝缘电阻

常温绝缘电阻的试验电压可取直流 10～100V 任意值，环境温度在15～35℃范围内，相对湿度应不大于 80%，常温绝缘电阻值应大于 100M 。

4.铂电阻允许通过电流

通过铂电阻的测量电流最大不应超过 1mA。 5.公称压力

一般是指在长温下，保护管所能承受的不至于破裂的静态外压，承压数值的大小同保护管的材料，直径，壁厚，焊接强度等密切相关。

温度传感器是指检测外界温度的传感器，它将所测环境中的温度信号转换为便于处理，显示，记录的电（频率）信号等，在很多领域都有普遍的应用。

温度传感器从使用角度大致可分为接触式和非接触式两大类。前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来检测被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离。检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比之下运用较多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用。它是利用转换元件电磁参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置，其中将温度变化转换为电阻变化的称热电阻传感器，金属热电阻式传感器简称热电阻，半导体热电阻式传感器简称热敏电阻，将温度变化转换为电动势变化的称为热电偶传感器。

温度检测采用的最基本的是热电偶式和热敏电阻式。热电偶式应用广泛，价格便宜而且耐用，种类多，能够覆盖非常宽的温度范围，最高温度可达到2000℃。所以本文设计选择热敏电阻，该传感器主要随温度的变化阻值发生变化，主要测量范围为-200℃～ 500℃温度范围内测量。其温度系数大而且稳定，反应速度快，工艺价格低，测温环境稳定。

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传感器的内部结构

在传感器中间沉积了过渡层氧化镍,同时为了提高铂薄膜的焊接连接特性,在镍薄膜上面又沉积了铜薄膜作为导线层,最后在最外层沉积了三氧化二铝薄膜作为保护膜,起到绝缘保护的作用,其膜系结构设计如图所示：

由于三氧化二铝的绝缘特性和高硬度、高稳定性等特点,可以避免传感器层和铜导线层的氧化,同时也可以保证传感器的耐腐蚀和耐冲击,从而保证传感器长期稳定地工作。

设计小结

利用铂薄膜的温度电阻特性以及磁控溅射镀膜技术设计并制备了薄膜热阻型温度传感器,得到的薄膜传感器在-200到600摄氏度之间有极高的线性度和稳定性,并且通过对不同工艺参数的分析得到了最佳的制备铂薄膜的工艺参数:工作压强0.6 Pa,靶基距60 mm,电源功率120 W。通过对退火温度的对比分析得到了铂薄膜最佳的退火温度为400℃,退火时间为2 h,这些都为制备更为稳定精度更高的铂薄膜温度传感器奠定了良好的基础。

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基于NRF2401的无线温度传感器的设计论文