空调自控系统中常用传感器

第三章空调自控系统中常用器件的特性本章主要讲授内容：一、空调系统中常用的温度传感器㈠、热电阻温度传感器㈡、金属氧化物半导体温度传感器㈢、半导体PN结热敏电阻温度传感器二、温度变送器的特性三、湿度控制器、传感器和变送器㈠、毛发（尼龙）式湿度控制器㈡、氯化锂湿度传感器㈢、半导体陶瓷湿度传感器㈣、电容湿度传感器学习目标及要求：1、了解空调自控系统中常用传感器的类型；2、熟知传感器与变送器的基本定义；3、掌握热电阻温度传感器的原理及分度号的含义；4、理解正温度系数热敏电阻与负温度系数热敏电阻的概念；5、了解几种常用热敏电阻的基本特性；6、了解常用湿敏传感器的作用及基本特性；7、基本掌握空调系统中常用传感器的使用方法及原则；一、空调系统中常用的温度传感器1、传感器的基本定义：最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会（IEC）的定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。2、传感器的作用：传感器主要应用在自动测试与自动控制领域中。它将诸入压力、温度、流量、位移等参数转换为电量，然后，通过电的方法进行测量和控制。3、空调系统中常用的温度传感器的种类：⑴、金属材料制成的热电阻温度传感器；⑵、金属氧化物半导体材料制成的热敏电阻式温度传感器；⑶、由半导体PN结制成的半导体热敏电阻温度传感器；通常称：①、金属热电阻；通常称为热电阻；②、半导体热电阻；通常称为热敏电阻；4、空调系统常用温度传感器的外形图片①、热电阻传感器；②、金属氧化物半导体热敏电阻传感器；③、半导体PN结热敏电阻传感器；㈠、热电阻传感器1、热电阻传感器的定义：物资的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。利用电阻随温度变化而变化的特性（即热电阻效应）制成的传感器称为热电阻传感器。2、热电阻传感器的作用：热电阻传感器主要用于检测温度和与温度有关的参量；因此也称为热电阻温度传感器。3、金属热电阻温度传感器⑴、空调系统常用金属热电阻温度传感器结构与外形;①、结构示意图金属丝通常用：铂、铜、铁和镍；②、外形①⑵、金属热电阻温度传感器的测温原理热电阻是热电阻温度计的测温元件，它是利用金属导体电阻值随温度变化而变化的特性来实现温度测量的。金属导体电阻值与温度的关系为:式中：Rt－温度为t℃时电阻值；R0－温度为t0（通常为0℃）时电阻值；a－温度系数，即温度每升高1℃时的电阻相对变化量；Δt－温度变化量；ΔRt－温度改变Δt时的电阻变化量。⑶、对金属热电阻材料的要求：①电阻温度系数a要大，最好是常数；②电阻率ρ应尽可能大；③在热电阻使用温度范围内，材料的物理和化学性能稳定；④加工性能好，价格便宜；比较符合以上要求的金属材料有：铂、铜、铁、镍；使用最广泛的是：铂和铜；⑷、金属热电阻温度传感器的特点：①、结构简单、工作可靠、电阻温度特性好、测温灵敏度高、精度高、测温范围较广（－200℃～＋650℃）。②、阻值－温度（R－t）特性：温度每升高1℃，热电阻的阻值升高约0.4％～0.6％。即电阻温度系数较小。③、正温度系数热敏电阻；④、阻值与温度不是线性变化，但在一定的范围内可进似为常数（线性变化）。⑸、热电阻传感器的主要技术数据①、分度号：热电阻的分度号是以热电阻在0℃时的电阻值来标记的，以便与相应的调节器配套使用。我国常用的工业铂热电阻分度号主要有：①、BA1：取R0=46.00Ώ；②、BA2：取R0=100.00Ώ；③、BA3：取R0=300.00Ώ；常用的为：Pt100（分度号）；国际产品：Pt300、Pt1000、Pt3000等；铜热电阻分度号有：R0=Cu50；R0=Cu100；LU-907M智能PID比例调节器的技术参数：②、百度电阻比：R100－温度为100℃时铂电阻的电阻值；R0－温度为0℃时铂电阻的电阻值；国际温标规定，要求标准铂热电阻:W（100）≥1.3925W（100）越大，纯度越高；铂的电阻值与其纯度密切相关，纯度越高，其电阻率越大。铂的纯度通常用百度电阻比W（100）表示：③、阻值－温度（Rt－t）特性例：温度在0℃～850℃范围内时：热电阻的阻值随温度变化关系称为热电阻的阻值－温度（Rt－t）特性；式中：A－是实验确定的常数，A＝3.96847×10-3℃-1B－是实验确定的常数，B＝-5.847×10-7℃-2④、几种常用国产热电阻技术参数表⑹、金属热电阻的时间常数：①、时间常数T；②、延迟时间τ；③、动态特性；时间常数一般在：

10S～4min之内;大热惯性：在1.5min～4min之内；一般热惯性：在10S～1.5min之内；小热惯性：在10S之内；㈡、金属氧化物半导体热敏电阻金属氧化物半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏感元件。金属氧化物半导体热敏电阻通常用铁、镍、钛、镁、铜等金属氧化物按一定的比例混合经高温烧结而成。通过改变其中氧化物的成分和比例，可以得到不同测温范围、阻值和温度系数的NTC热敏电阻。1、金属氧化物半导体热敏电阻的基本类型⑴、半导体热敏电阻的类型：①、负温度系数热敏电阻（NTC）；②、正温度系数热敏电阻（PTC）；③、临界温度（突变温度）系数热敏电阻（CTR）；⑵、几种常用半导体热敏电阻的特性曲线：⑶、部分半导体热敏电阻外形封装图片金属管封装；玻璃封装；塑料封装；环氧树脂封装；2、负温度系数半导体热敏电阻的特性⑴、电阻值与温度的关系（Rt－t）如下：式中:RT、RT0－温度为T、T0（K）时的温度值；B－温度系数，大约为1500～5000K；⑵、B参数：通常是指温度在25℃（T1）和50℃（T2）的B值：式中:B－常数；R1－在温度为T1（K）时的电阻值；R2－在温度为T2（K）时的电阻值；T1、T2－温度；⑶、温度－电阻特性曲线RRC4-2热敏电阻特性曲线KG2T系列热敏电阻特性曲线3、负温度系数热敏电阻的线性化处理①、采用并联电阻的方式，进行简易的线性化处理。③、灵敏度降低②、以t1为中心确定并联电阻的阻值；4、负温度系数半导体热敏电阻的特点①、结构简单、灵敏度高、热响应时间短（小于1S）、稳定性好、寿命长、体积小。②、阻值－温度（R－t）特性：温度每升高1℃，热电阻的阻值升高较大。即电阻温度系数较大，是铂电阻的4～9倍。③、阻值与温度为非线性变化关系，互换性较差；通常在使用时都进行线性化处理。例：采用半导体热敏电阻冰箱控制电路㈢、半导体PN结温度传感器1、种类：半导体PN结温度传感器是利用半导体PN结两端电压随温度变化而变化的原理工作的。①、二极管温度传感器②、晶体管温度传感器③、集成温度传感器；2、二极管温度传感器⑴、二极管温度传感器工作原理根据PN结理论，对于一个理想的二极管，只要正向电压Uf大于几个kT/q0，其正向电流IF与正向电压Uf和温度T之间的关系可表示为：在温度二极管的正向电压UF与温度T之间的关系，在一定的电流下，其正向电压随温度的升高而降低，故呈现负温度系数。通常为：-2mV/℃。⑵、二极管正向电压与温度的关系曲线硅二极管1N457锗二极管1N270正向电压随温度变化曲线；⑶、二极管温度传感器的特点：简单、价廉、线性度较好；但互换性较差；工作温度范围一般在-50～150℃范围内；⑷、硅二极管温度传感器应用3、晶体三极管温度传感器二极管温度传感器存在的不足：①、自热温升对测量精度的影响较大；②、工作电流较小（300uA）;③、互换性差；⑴、NPN型三极管温度传感器的工作原理NPN三极管在集电极电流IC恒定时，基极和发射极间的电压UBE随环境温度变化而变化。若集电极电流IC恒定则电压U仅随温度T呈单调单值函数关系。⑵、硅三极管UBE电压与温度关系曲线温度系数为-2.4mV∕℃；测温范围-50℃～200℃；⑶、三极管温度传感器的特点：结构简单、灵敏度高、热响应时间短（小于1S）、精度高、寿命长、体积小。阻值－温度（R－t）特性好。是负温度系数（NTC）热敏电阻；阻值与温度为线性变化关系，稳定性和互换性好。4、集成温度传感器⑴、集成温度传感器的定义:集成温度传感器是将温度传感器与放大电路，偏置电源及线性化集成电路等采用集成化技术制作在同一块芯片上制成。⑶、集成温度传感器按输出信号的形式分：电压型；电流型；⑷、使用温度范围：－50～150℃⑵、优点：测温精度高（精±0.5℃）复现性好；线性好，体积小；热容量小、稳定性好；输出电信号大；⑸、集成温度传感器LM35性能介绍LM35的温度系数为：10mv∕℃；常温下测量精度为：±0.5℃；最大功耗电流为：70uA;自身发热对测量精度的影响在

0.1℃以内；采用4V以上单电源供电时，测温范围为：2～150℃；采用双电源供电时，测温范围为：

-55～+150℃（金属封装）；

-40～+110℃（T092封装）；⑹、采用二线式接法的LM35测温电路电路特点：信号以电流形式取出，因而不会产生由导线电阻损耗引起的误差；RP1用于满刻度调整；RP2用于调零；5、上述温度传感器的特性小结：⑴、热电阻温度传感器是根据金属导体的电阻值随温度变化而变化的原理测温的；温度升高电阻值增大,称为正温度系数（PTC）热电阻。在一定范围内温－阻特性基本呈线性变化；⑵、金属氧化物半导体材料制成的热敏电阻其温度特性为：温度升高，电阻值减小，通常被称为负温度系数（NTC）热敏电阻。温－阻特性呈非线性变化；5、上述温度传感器的特性小结：⑶、半导体PN结制成的半导体热敏电阻是根据PN结正向压降随温度变化的原理工作的。也是负温度系数（NTC）热敏电阻。温－阻特性基本呈良好的线性变化；二、温度变送器1、温度变送器的定义：将温度传感器输出的信号变换为标准电压或电流的器件称为温度变送器；2、变送器的作用及数学表达式⑴、变送器的作用:①、把传感器输入的非电量（电量）信号转换为标准的电量信号（电压：0～10VDC、电流:4～20mADC等）；②、对输入信号进行线性化放大与处理；③、变送器通常由电子线路组成，因此电子线路本身的时间常数、滞后都比较小；与传感器相比较通常可以忽约。⑵、变送器的

数学表达式:式中:BZ－变送器输出的标准信号；θz－传感器测量信号（传感器输出信号）；KB－变送器的放大系数（静态特性）。⑶、变送器的传递函数:3、温度变送器工作原理及方框图：三、湿度（敏）传感器㈠、湿空气的状态参数：在空气调节技术中，常用的状态参数是压力、温度、含湿量、相对湿度、比焓及密度；⑴、压力：湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体，其总压力P应等于干空气的分压力Pg与水蒸气的分压力Pq之和；即：P=Pg+Pq;

水蒸气分压力的大小，反映了湿空气中水蒸气含量的多少。湿空气的温度越高，空气中饱和水蒸气分压力也就越大，说明空气能容纳的水气数量越多。水蒸气分压力是衡量湿空气干燥与潮湿的基本指标，是一个重要的参数。⑵、温度：是表示湿空气冷热程度的指标；⑶、含湿量（d）：是指1kg干空气所带有的水蒸气质量，其单位是g∕kg（干空气）。它是表示湿空气湿度大小的重要参数之一。在空气调节中，常用含湿量来表示空气被加湿或减湿的程度。⑷、相对湿度（φ）：是指空气中水蒸气分压力Pq与同温度下饱和水蒸气分压力Pqb之比；它表示空气接近饱和的程度；★绝对湿度给出的是空间内水分的具体含量；★而相对湿度则指出了大气的潮湿程度；㈡、湿度传感器的分类：主要有两大类：1、水分子亲和力型湿敏传感器；碳膜湿敏传感器、电解质湿敏传感器、高分子材料湿敏传感器、金属氧化物膜湿敏传感器、金属氧化物陶瓷湿敏传感器等。2、非水分子亲和力型湿敏传感器；热敏电阻式湿敏传感器、红外湿敏传感器、超声波湿敏传感器等。㈢、对湿度传感器的技术要求：1、使用寿命长，长期工作的稳定性好；2、测量范围宽，湿度和温度系数小；3、灵敏度高、感湿特性线性度好；4、湿滞回差小；5、响应速度快，时间短；6、一致性和互换性好，制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低廉；7、能在恶劣环境下工作；㈣、湿度传感器的主要参数：1、感湿特性曲线：感湿特性曲线是指湿度传感器的输出量与被测环境湿度间的关系曲线；2、测湿量程：测湿量程是指湿敏传感器能以规定的精度测量的最大范围；3、灵敏度：常用感湿特性曲线的斜率来定义灵敏度，即灵敏度是输出量增量与输入量增量之比；4、湿度温度系数：湿度传感器的特性往往随环境温度的变化而变化，即在不同的环境温度下有不同的感湿特性曲线。5、响应时间：当环境湿度改变时，湿度传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需要的时间，称为响应时间；6、湿滞回线和湿滞回差：7、电压特性：由于直流电压回造成水分子的电解，会导致电导率随时间下降，因此测试电压应采用交流电压；湿敏传感器的电压特性是指感湿特征量与外加交流电压之间的关系；㈤、空调系统中常用湿度传感器1、种类：⑴、毛发湿度传感器（控制器）；⑵、氯化锂湿度传感器；⑶、半导体陶瓷湿度传感器；⑷、电容式湿度传感器；2、常用湿度传感器外形结构图⑴、毛发式湿度控制器⑵、氯化锂湿度传感器⑷、电容式湿度传感器⑶、半导体陶瓷湿度传感器3、毛发式湿度控制器⑴、组成与结构：1、感湿毛发束；2、乙型杠杆；3、平衡弹簧；4、电触点；5、湿度指示；6、角形调节杠杆；7、湿度控制调节螺钉；⑵、工作原理与作用根据毛发在在不同的空气湿度下伸缩率不同的特性，利用其长度发生变化产生的位移量作用湿度控制信号，通过不同形式的控制器、放大器、执行器来控制空气的相对湿度。对加湿器或除湿机进行双位控制；⑶、特点：测量范围：20％～96％；控制范围在40％～80％时有较好的线性度；控制精度较低（大于±5％）；结构简单、工作可靠、价格便宜、不需要经常维护；毛发或尼龙薄膜长时间使用后，易产生变形和老化；属于触点式控制型器件；4、氯化锂湿度传感器⑴、传感器的组成结构：①、绝缘材料底版；②、电极：材料：铂或镀金铂；③、氯化锂溶液；④、金属铂丝或铱丝；⑤、塑料支座；⑥、电极；⑵、工作原理：氯化锂(LiCl)是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。它具有吸湿、放湿的特性，其吸湿量与空气相对湿度成一定的函数关系。随着空气相对湿度的变化，氯化锂吸湿量也随着变化。只有当它的蒸气压等于周围空气的水蒸气分压力时，才处于平衡状态。因此，随着空气相对湿度的增加，氯化锂的吸湿量也随着增加，从而使氯化锂中导电离子数增加，最后导致它的电阻减少。当氯化锂的蒸气压高于空气中水蒸气分压力时，氯化锂放出水分，导致电阻增大。⑶、氯化锂湿度传感器的性能参数与特点①、性能参数：测量范围较宽15％～95％RH；测量精度±2％～5％RH；线性度较好的测量范围：45％～70％RH；温度对测量精度影响较大；最高使用温度≤55℃；②、性能特点：传感器必须使用交变电压；使用环境应保持清洁、无粉尘与纤维；稳定性不太高，会出现测量漂移；⑷、氯化锂湿度传感器的应用原理方框图特点：①、温度，相对湿度同时检测，为了保证检测精度，采用温度信号对相对湿度信号进行补偿方式；②、输出信号为标准电压或电流信号；5、半导体陶瓷湿敏电阻（烧结型）⑴、组成结构示意图1－二氧化钛与氧化铬镁复合型感湿陶瓷；2－陶瓷基片；3－镀镁丝引线；4－金短路环；5－镍烙丝加热清洗线圈；6－金电极；⑵、半导体陶瓷湿敏电阻的特点：①、使用寿命长，可在恶劣环境下工作；②、可检测到1%RH低湿状态；③、响应快、测量精度高；④、使用范围宽，以及湿滞回差小；⑤、使用过程中需经常进行电加热清洗；⑶、SM-1型半导体陶瓷湿敏元件的性能曲线①、湿敏元件的感湿特性曲线；②、湿敏元件的加热清洗特性；6、电容湿度传感器与变送器⑴、电容湿度传感器的结构及外形图⑵、电容湿度传感器工作原理根据电容器电容量的关系：式中：C－电容量；ε－极板间介质的介电时间常数（F∕m）；A－两平行极板间的相互覆盖的有效面积（m2）；δ－两平行极板间的距离（m）；电容量C直接受到ε、A、δ的影响；①－金属极板；②－金属极板；③－感湿聚合物电介质薄膜；⑵、电容湿度传感器工作原理电容湿度传感器是利用当湿度变化时，改变极间介质的介电常数，通过测量电容量来测量相对湿度的。极间介质选择具有吸湿，放湿特性的极薄的聚合物薄膜，电极采用金箔制成，要求薄到能允许水蒸气通过。由于聚合物薄膜的吸、放湿特性，使其含水量随着空气相对湿度变化而变化。水的介电常数与空气的介电常数相差很大，所以，当水分子被聚合物吸收后，将使平板电容器电容量产生很大的变化，通过检测电容器的电容量变化值，即可知道空气的相对湿度；⑶、电容湿敏变送器特性曲线②、主要技术参数:输出电压0～10V；测量湿度范围：

0％～95％RH；环境温度范围：0～55℃；测量精度：±3％～±5%；通常湿敏电容传感器不单独使用，都是做成湿敏变速器后使用；①、性能特性曲线：⑷、湿度电容变送器的性能特点①、温度稳定性好；②、需要的动作能量低；③、动态响应快；④、可获得较大的湿度相对变化量；⑤、结构简单，可在恶劣环境下工作；⑥、不需要加清洗电压；例1：除湿控制电路原理通常湿敏电阻的阻值随环境相对湿度的增大而减小；例2：带温度补偿的湿度测量仪电路本章小结：1、传感器的基本定义：最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会（IEC）的定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。2、传感器的作用：传感器主要应用在自动测试与自动控制领域中。它将诸入压力、温度、流量、位移等参数转换为电量，然后，通过电的方法进行测量和控制。3、几种温度传感器的特性：①、金属热电阻温度传感器：金属热电阻传感器是利用金属导体电阻值随温度变化而变化的特性来实现温度测量的，并按正温度系数特性变化。②、金属氧化物半导体温度传感器：金属氧化物半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏感元件。通过改变其中氧化物的成分和比例，可以得到不同测温范围、阻值和温度系数的热敏电阻。③、金属氧化物半导体温度传感器的类型：负温度系数热敏电阻（NTC）；正温度系数热敏电阻（PTC）；临界温度（突变温度）系数热敏电（CTR）；④、半导体二极管温度传感器：半导体PN结温度传感器是利用半导体PN结两端电压随温度变化而变化的原理工作的。二极管温度传感器具有正的温度特性；具有简单、价廉、线性度好的优点；互换性较差；⑤、晶体管温度传感器与集成温度传感器晶体管温度传感器与集成温度传感器具有负的温度系数；阻值与温度为线性变化关系，稳定性和互换性好。结构简单、灵敏度高、热响应时间短（小于1S）、精度高、寿命长、体积小。阻值－温度（R－t）特性好。4、变送器的定义：将传感器输出的信号变换为标准电压或标准电流的器件称为变送器；通常转换为：