温度传感器的外壳设计方案论证

机电工程学院毕 业 设 计 方 案论 证 报 告设计题目: 温度传感器的外壳设计 学生姓名： 左胜超 学 号： 2004182046 专业班级： 材料成型与控制工程 04-02 班 指导教师： 王浩刚 12008 年 4 月 10 日目次1、毕业实习12、温度传感器的介绍12.2 温度传感器的概念12.2 温度传感器的发展12.3 传感器的类型及基本原理22.4 度传感器在加工生产中的应用3参考资料82第 1 章 毕业实习在确定毕业设计题目以后，通过搜集相关的资料，加深了对课题的了解与认识，由于所学的都是理论知识，缺乏实践的印证，许多认识都处于表面，针对这种状况，王老师安排我们外出实习，我们实习在郑州四方模具学校，这所学校既有加工机床供我们练习，又有许多正在加工的的模具让我们了解到加工方法。在短短的一个星期里，我们既学会了注塑机的操作，了解了注塑机的工作原理，在加工过程中容易出现的各种问题及解决方法。在制造模具时我们也应考虑注塑机的选用。根据选择的注塑机性能要求结合我们的模具设计，使模具在应用过程中尽量避免不合理结构产生。在实习过程中我们也加深了对车床、铣床、刨床、电火花加工的认识。使我们认识到我们要把设计同生产联系在一起。因为许多在设计中行的通的想法，往往在生产中无法实现。这次实习给了我们很好的与实践接触的平台。第二章 传感器的介绍2.1 传感器的概念温度传感气器是一种对温度反映较敏感，电阻值会随温度的升高而变化的电阻器。通常是由锰（Mn）、钴（Co）、铝（Al）、锌（Zn）等两种或两种以上高纯度金属氧化物材料经共沉淀法或水热法合成的纳米分体材料，后经粉磨充分混合，等静压成型、高温烧结、半导体切、划片、玻封烧结或环氧包封等封接工艺制成的接近理论密度结构的半导体电子陶瓷材料，一般是具有尖晶石相结构的氧化物电子陶瓷，其电阻率和材料常数（B 值）随材料成分比例、烧结温度、烧结气氛和结构状不同而变化，这种具有负温度系数特征的热敏电阻具有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、成本低等优点。2.2 温度传感器的发展温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990 年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从 17 世纪初伽利略发明温度计开始，人3们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是 1821 年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。2.3 温度传感器的类型及基本原理温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器(见下表)。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。 热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从 C200到2000。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电偶需要外部参考端。 RTD精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它们的最高工作温度只能达到400左右。它们也有很大的TC，且价格昂贵(是热电偶的410倍)，并且需要一个外部参考源。 模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(C55150)，并且需要一个外部参考源。 数字输出IC温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(100 ms数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。 与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，IC温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。42.4 度传感器在加工生产中的应用温度传感器可以大范围的测定热加工过程的温度，测温范围从室温到 1800，在800以上，灵敏度优于 1，在 1000以上，可分辨温度优于 01 ，具有高温优越性。而且响应快、抗电磁干扰、工作温区大、操作方便、可实现多点测量。对于铸造、热处理的工艺和质量控制具有积极的意义。1 理论基础光纤温度传感器系统包括端部掺杂质的高温蓝宝石单晶光纤探头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管(LED) 及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。如图1所示。5在高温区(400 以上)，光纤温度传感器基于光纤被加热要引起热辐射的原理工作。热辐射效应光强调制型光纤温度传感器属于被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集热辐射，然后通过传输光纤送到光电二极管探测并进行数据处理。热辐射的强度和波长是温度的函数。采用带黑体腔的高温单晶蓝宝石(Al2O3)光纤(其熔点温度为2050 )，当黑体腔与待测温度区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定理发射与待测温度T相对应的电磁辐射，其谱功率密度出射率可以用Plank公式表示为其中为黑体腔的谱发射率；C1374108 Wm4/m2为第一辐射常数；C2144102mK 为第二辐射常数；为光谱辐射波长；T为黑体辐射温度。这一功率经高温光纤直接耦合进入低温光纤，然后射入光电二极管光敏面。考虑到光电二极管光敏面的光谱响应为0411m，同时为了使黑体腔的发射率稳定，控制黑体腔的长径比大于3，于是黑体腔谱发射率 1，入射到光电二极管光敏面的黑体总辐射能量为其中n1、n2分别表示高温光纤与低温光纤、低温光纤与光电二极管光敏面之间的功率耦合效率；S、l、分别表示高温光纤截面积、长度、损耗系数。在低温区(400 以下)，辐射信号较弱，系统开启发光二极管(LED)，使荧光测试系统工作，发光二极管发射调制的激励光，经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端，由Y 型光纤并通过光纤耦合器到蓝宝石光纤探头。光纤探头端部受激励光激励而发射荧光，信号由蓝宝石光纤导出，并通过光纤耦合器从Y 型光纤的另一分支端射出，由光电探测器接受。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理，计算出荧光寿命得到所测温度值。2 信号处理光电二极管感应的光辐射信号经过光电转换、信号放大、线性化处理、A/D转换、微机处理后给出待测温度。为了实现多点测量，加入多路开关，通过微机控制，选择所测点。如图2所示。6由于光纤给出的输出光强是非线性的指数信号，这种非线性关系，在温度数字化测量中，加进线性化装置进行线性补偿。这里选用模拟线性化，采用折线逼近方案，即用连续有限折线代替曲线的直线化方式。其特点是技术简单，精度取决于折线段的多少。3 测试方法31 熔炼过程中的探头设置在熔炼过程中，金属液体始终处于流动状态；可以认为在这个温度场中，金属液体各处的温度基本一致。将探头放置于溶液表面下10cm左右处，通过热辐射测出溶液温度。32 在热处理加热炉系统中的探头设置在加热炉中，被处理的工件与炉壁进行热交换。辐射换热量表示为1、2分别为工件和炉壁的黑度，21 为角系数。当热平衡时候，T1T2，Q120。两者之间没有了热交换，这时候就可以测出工件的温度。将探头安置于炉壁，外接光纤测出工件的加热温度。33 凝固过程中的温度测量铸件在凝固过程中，它的内温度场为不稳定温度场。在铸件截面上某一点，不同时刻，温度是不同的；在同一瞬间，铸件截面上各点的温度也不同。其温度场是坐标(x，y，z) 和时间t的函数T(x ，y ，z，t)为了测出铸件在凝固过程的温度场，研究温度场和等温面的变化，进一步进行仿真模拟，提高产品质量和成品率，有必要对凝固过程进行多点测量。光纤温度传感器能够快速响应温度变化，测量精度高，可以准确的反映温度场的情况。在测量中，将探头安置于所测点，通过微机来观察和描绘温度场。734 光纤连接为了使光通道的可拆性成为可能，便于多点测量，为测试提供便利的测试接口，同时尽可能的降低连接过程中的光损耗，在光纤接口处采用可以拔插的光纤连接器，实现从光源到光纤、光纤到光纤以及光纤到探测器之间的光耦合。考虑到在热加工环境下使用，光纤连接器必须可靠、坚固耐用、可维修、插入损耗小等因素，采用SC型单芯光纤连接器。这种连接器的法兰盘中有卡簧，接口是矩形结构，在插入中很容易对准，适宜于高密度安装，提高了操作性、损耗的稳定性以及封装密度。在连接中还可以采用小型封装连接器SFF，使在较小的空间内使用成为可能。4 结论在熔炼炉的加热过程中，用铂铑热电偶和光纤高温探头对同一个温区进行测试；在整个温度