溫度傳感器的外殼設(shè)計方案論證

1、機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計方案論證報告設(shè)計題目:溫度傳感器的外殼設(shè)計學(xué)生姓名：左勝超學(xué)號：2004182046專業(yè)班級： 材料成型與控制工程04-02班指導(dǎo)教師：王浩剛 2008 年 4 月 10 日目次1、畢業(yè)實習(xí)12、溫度傳感器的介紹12.2溫度傳感器的概念12.2溫度傳感器的發(fā)展12.3傳感器的類型及基本原理22.4度傳感器在加工生產(chǎn)中的應(yīng)用3參考資料8第1章 畢業(yè)實習(xí)在確定畢業(yè)設(shè)計題目以后，通過搜集相關(guān)的資料，加深了對課題的了解與認(rèn)識，由于所學(xué)的都是理論知識，缺乏實踐的印證，許多認(rèn)識都處于表面，針對這種狀況，王老師安排我們外出實習(xí)，我們實習(xí)在鄭州四方模具學(xué)校，這所學(xué)校既有加工機(jī)床供我們練習(xí)，

2、又有許多正在加工的的模具讓我們了解到加工方法。在短短的一個星期里，我們既學(xué)會了注塑機(jī)的操作，了解了注塑機(jī)的工作原理，在加工過程中容易出現(xiàn)的各種問題及解決方法。在制造模具時我們也應(yīng)考慮注塑機(jī)的選用。根據(jù)選擇的注塑機(jī)性能要求結(jié)合我們的模具設(shè)計，使模具在應(yīng)用過程中盡量避免不合理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。在實習(xí)過程中我們也加深了對車床、銑床、刨床、電火花加工的認(rèn)識。使我們認(rèn)識到我們要把設(shè)計同生產(chǎn)聯(lián)系在一起。因為許多在設(shè)計中行的通的想法，往往在生產(chǎn)中無法實現(xiàn)。這次實習(xí)給了我們很好的與實踐接觸的平臺。第二章 傳感器的介紹2.1 傳感器的概念溫度傳感氣器是一種對溫度反映較敏感，電阻值會隨溫度的升高而變化的電阻器。通常是由錳

3、（Mn）、鈷（Co）、鋁（Al）、鋅（Zn）等兩種或兩種以上高純度金屬氧化物材料經(jīng)共沉淀法或水熱法合成的納米分體材料，后經(jīng)粉磨充分混合，等靜壓成型、高溫?zé)Y(jié)、半導(dǎo)體切、劃片、玻封燒結(jié)或環(huán)氧包封等封接工藝制成的接近理論密度結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電子陶瓷材料，一般是具有尖晶石相結(jié)構(gòu)的氧化物電子陶瓷，其電阻率和材料常數(shù)（B值）隨材料成分比例、燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛和結(jié)構(gòu)狀不同而變化，這種具有負(fù)溫度系數(shù)特征的熱敏電阻具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、成本低等優(yōu)點。2.2 溫度傳感器的發(fā)展溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。

4、從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。2.3溫度傳感器的類型及基本原理 溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器(見下表)。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。 熱電偶應(yīng)用很廣泛，因為它們非常堅固而且

5、不太貴。熱電偶有多種類型，它們覆蓋非常寬的溫度范圍，從 C200到2000。它們的特點是：低靈敏度、低穩(wěn)定性、中等精度、響應(yīng)速度慢、高溫下容易老化和有漂移，以及非線性。另外，熱電偶需要外部參考端。 RTD精度極高且具有中等線性度。它們特別穩(wěn)定，并有許多種配置。但它們的最高工作溫度只能達(dá)到400左右。它們也有很大的TC，且價格昂貴(是熱電偶的410倍)，并且需要一個外部參考源。 模擬輸出IC溫度傳感器具有很高的線性度 (如果配合一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC可產(chǎn)生數(shù)字輸出)、低成本、高精度(大約1%)、小尺寸和高分辨率。它們的不足之處在于溫度范圍有限(C55150)，并且需要一個外部參考源。 數(shù)字輸出I

6、C溫度傳感器帶有一個內(nèi)置參考源，它們的響應(yīng)速度也相當(dāng)慢(100 ms數(shù)量級)。雖然它們固有地會自身發(fā)熱，但可以采用自動關(guān)閉和單次轉(zhuǎn)換模式使其在需要測量之前將IC設(shè)置為低功耗狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到最低。 與熱敏電阻、RTD和熱電偶傳感器相比，IC溫度傳感器具有很高的線性，低系統(tǒng)成本，集成復(fù)雜的功能，能夠提供一個數(shù)字輸出，并能夠在一個相當(dāng)有用的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。2.4度傳感器在加工生產(chǎn)中的應(yīng)用溫度傳感器可以大范圍的測定熱加工過程的溫度，測溫范圍從室溫到1800，在800以上，靈敏度優(yōu)于1，在1000以上，可分辨溫度優(yōu)于01，具有高溫優(yōu)越性。而且響應(yīng)快、抗電磁干擾、工作溫區(qū)大、操作方便、可實現(xiàn)多

7、點測量。對于鑄造、熱處理的工藝和質(zhì)量控制具有積極的意義。1理論基礎(chǔ)光纖溫度傳感器系統(tǒng)包括端部摻雜質(zhì)的高溫藍(lán)寶石單晶光纖探頭、Y型石英光纖傳導(dǎo)束、超高亮發(fā)光二極管(LED)及驅(qū)動電路、光電探測器、熒光信號處理系統(tǒng)和輻射信號處理系統(tǒng)。如圖1所示。在高溫區(qū)(400以上)，光纖溫度傳感器基于光纖被加熱要引起熱輻射的原理工作。熱輻射效應(yīng)光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器屬于被動式光強(qiáng)調(diào)制，它不需要外加光源，而直接由藍(lán)寶石光纖制成的黑體腔收集熱輻射，然后通過傳輸光纖送到光電二極管探測并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。熱輻射的強(qiáng)度和波長是溫度的函數(shù)。采用帶黑體腔的高溫單晶藍(lán)寶石(Al2O3)光纖(其熔點溫度為2050)，當(dāng)黑體腔與待測

8、溫度區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定理發(fā)射與待測溫度T相對應(yīng)的電磁輻射，其譜功率密度出射率可以用Plank公式表示為其中為黑體腔的譜發(fā)射率；C1374×108 W·m4/m2為第一輻射常數(shù)；C2144×102m·K為第二輻射常數(shù)；為光譜輻射波長；T為黑體輻射溫度。這一功率經(jīng)高溫光纖直接耦合進(jìn)入低溫光纖，然后射入光電二極管光敏面?？紤]到光電二極管光敏面的光譜響應(yīng)為0411m，同時為了使黑體腔的發(fā)射率穩(wěn)定，控制黑體腔的長徑比大于3，于是黑體腔譜發(fā)射率 1，入射到光電二極管光敏面的黑體總輻射能量為其中n1、n2分別表示高溫光纖與低溫光纖、低溫光纖與光電二極管

9、光敏面之間的功率耦合效率；S、l、分別表示高溫光纖截面積、長度、損耗系數(shù)。在低溫區(qū)(400以下)，輻射信號較弱，系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管(LED)，使熒光測試系統(tǒng)工作，發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵光，經(jīng)聚光鏡耦合到Y(jié)型光纖的分支端，由Y型光纖并通過光纖耦合器到藍(lán)寶石光纖探頭。光纖探頭端部受激勵光激勵而發(fā)射熒光，信號由藍(lán)寶石光纖導(dǎo)出，并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出，由光電探測器接受。光電探測器輸出的光信號經(jīng)放大后由熒光信號處理系統(tǒng)處理，計算出熒光壽命得到所測溫度值。2信號處理光電二極管感應(yīng)的光輻射信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、信號放大、線性化處理、A/D轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理后給出待測溫度。為了實現(xiàn)多點測量，加入

10、多路開關(guān)，通過微機(jī)控制，選擇所測點。如圖2所示。由于光纖給出的輸出光強(qiáng)是非線性的指數(shù)信號，這種非線性關(guān)系，在溫度數(shù)字化測量中，加進(jìn)線性化裝置進(jìn)行線性補(bǔ)償。這里選用模擬線性化，采用折線逼近方案，即用連續(xù)有限折線代替曲線的直線化方式。其特點是技術(shù)簡單，精度取決于折線段的多少。3測試方法31熔煉過程中的探頭設(shè)置在熔煉過程中，金屬液體始終處于流動狀態(tài)；可以認(rèn)為在這個溫度場中，金屬液體各處的溫度基本一致。將探頭放置于溶液表面下10cm左右處，通過熱輻射測出溶液溫度。32在熱處理加熱爐系統(tǒng)中的探頭設(shè)置在加熱爐中，被處理的工件與爐壁進(jìn)行熱交換。輻射換熱量表示為1、2分別為工件和爐壁的黑度，21為角系數(shù)。當(dāng)熱

11、平衡時候，T1T2，Q120。兩者之間沒有了熱交換，這時候就可以測出工件的溫度。將探頭安置于爐壁，外接光纖測出工件的加熱溫度。33凝固過程中的溫度測量鑄件在凝固過程中，它的內(nèi)溫度場為不穩(wěn)定溫度場。在鑄件截面上某一點，不同時刻，溫度是不同的；在同一瞬間，鑄件截面上各點的溫度也不同。其溫度場是坐標(biāo)(x，y，z)和時間t的函數(shù) T(x，y，z，t)為了測出鑄件在凝固過程的溫度場，研究溫度場和等溫面的變化，進(jìn)一步進(jìn)行仿真模擬，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，有必要對凝固過程進(jìn)行多點測量。光纖溫度傳感器能夠快速響應(yīng)溫度變化，測量精度高，可以準(zhǔn)確的反映溫度場的情況。在測量中，將探頭安置于所測點，通過微機(jī)來觀察和描繪

12、溫度場。34光纖連接為了使光通道的可拆性成為可能，便于多點測量，為測試提供便利的測試接口，同時盡可能的降低連接過程中的光損耗，在光纖接口處采用可以拔插的光纖連接器，實現(xiàn)從光源到光纖、光纖到光纖以及光纖到探測器之間的光耦合。考慮到在熱加工環(huán)境下使用，光纖連接器必須可靠、堅固耐用、可維修、插入損耗小等因素，采用SC型單芯光纖連接器。這種連接器的法蘭盤中有卡簧，接口是矩形結(jié)構(gòu)，在插入中很容易對準(zhǔn)，適宜于高密度安裝，提高了操作性、損耗的穩(wěn)定性以及封裝密度。在連接中還可以采用小型封裝連接器SFF，使在較小的空間內(nèi)使用成為可能。4結(jié)論在熔煉爐的加熱過程中，用鉑銠熱電偶和光纖高溫探頭對同一個溫區(qū)進(jìn)行測試；在整個溫度區(qū)域的測試