熱敏電阻傳感器在火災報警上的應用

精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)傳感器原理及工程應用（論文）熱敏電阻傳感器在火災報警上的應用學生姓名：指導教師：所在學院：專業(yè)：學號：年月摘要本文介紹了熱敏電阻式傳感器的特性、工作原理等方面的知識并簡略地闡述了熱敏電阻傳感器在火災報警中的應用。本文介紹了兩種熱敏溫度傳感器的特點，并給出了熱敏電阻式溫度傳感報警器裝置的具體原理圖。關鍵詞：熱敏電阻傳感器火災報警應用目錄TOC\o"1-4"\h\z\u前言21世紀人類社會已全面進入信息時代。隨著社會的發(fā)展和科學的進步，人類探知工程信息的領域和空間不斷拓展，要求信息傳遞的速度加快和信息處理的能力增強，因而就形成信息時代四大核心技術：信息采集技術------傳感技術，信息傳遞技術------通信技術，信息處理技術------計算機技術，信息控制技術------自動控制技術。顯然傳感與檢測技術位于工程信息系統(tǒng)的最前端，它將成為21世紀人們在信息工程技術領域爭奪的一個制高點。在現(xiàn)代測量與控制技術中，非電量測量與探測占有重要地位，這就要用到各種類型的傳感器，將各種不同的信號轉換成電量。隨著現(xiàn)代社會的進步，在各領域的安全問題顯得尤為重要。然而每個人在安全問題上總是避免不了對安全的疏忽，此時，各種各樣的傳感器在號的采集與處理方面優(yōu)勢凸現(xiàn)出來。溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。21世紀人類社會已全面進入信息時代。隨著社會的發(fā)展和科學的進步，人類探知工程信息的領域和空間不斷拓展，要求信息傳遞的速度加快和信息處理的能力增強，因而就形成信息時代四大核心技術：信息采集技術------傳感技術，信息傳遞技術------通信技術，信息處理技術------計算機技術，信息控制技術------自動控制技術。顯然傳感與檢測技術位于工程信息系統(tǒng)的最前端，它將成為21世紀人們在信息工程技術領域爭奪的一個制高點。在現(xiàn)代測量與控制技術中，非電量測量與探測占有重要地位，這就要用到各種類型的傳感器，將各種不同的信號轉換成電量。隨著現(xiàn)代社會的進步，在各領域的安全問題顯得尤為重要。然而每個人在安全問題上總是避免不了對安全的疏忽，此時，各種各樣的傳感器在號的采集與處理方面優(yōu)勢凸現(xiàn)出來。溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。1.熱敏電阻熱敏電阻是一種電阻元件，即電阻值隨溫度變化的電阻，一般分為兩種基本類型：負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）。NTC熱敏電阻表現(xiàn)為隨溫度的上升,其電阻值下降；而PTC熱敏電阻正好相反。這兩種熱敏電阻均具有特定的特點和優(yōu)點，以應用于不同的領域。NTC熱敏電阻體一般由兩種以上過渡金屬氧化物按特定比例混合成型后，經高溫燒結形成，屬于一種電子陶瓷材料?？梢园凑针妼W參數(shù)（電阻值、材料常數(shù)B）、測溫精度、封裝形式和應用領域等標準分類。零功率電阻是指在某一溫度下測量PTC熱敏電阻值時，加在PTC熱敏電阻上的功耗極低，低到因其功耗引起的PTC熱敏電阻的阻值變化可以忽略不計。額定零功率電阻指環(huán)境溫度25℃條件下測得的零功率電阻值。居里溫度Tc對于PTC熱敏電阻的應用來說，電阻值開始陡峭地增高時的溫度是重要的，我們將其定義為居里溫度。居里溫度對應的PTC熱敏電阻的電阻RTc=2*Rmin。溫度系數(shù)αPTC熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化導致的電阻的相對變化。溫度系數(shù)越大，PTC熱敏電阻對溫度變化的反應越靈敏。α=(lgR2-lgR1)/lge(T2-T1)額定電壓VN額定電壓是在最大工作電壓Vmax以下的供電電壓。通常Vmax=VN+15%擊穿電壓VD擊穿電壓是指PTC熱敏電阻最高的電壓承受能力。PTC熱敏電阻在擊穿電壓以上時將會擊穿失效。表面溫度Tsurf表面溫度Tsurf是指當PTC熱敏電阻在規(guī)定的電壓下并且與周圍環(huán)境間處于熱平衡狀態(tài)已達較長時間時，PTC熱敏電阻表面的溫度。動作電流Ik流過PTC熱敏電阻的電流，足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度這樣的電流稱為動作電流。動作電流的最小值稱為最小動作電流。不動作電流IN流過PTC熱敏電阻的電流，不足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度，這樣的電流稱為不動作電流。PTC熱敏電阻器主要參數(shù)詳解在25℃的靜止空氣中,指加在熱敏電阻器引出端的電壓與達到熱平衡的穩(wěn)態(tài)條件下的電流之間的關系（如圖1圖1伏-安特性絕緣熱敏電阻:達到規(guī)定的絕緣阻值及電壓驗證測試的熱敏電阻。非絕緣熱敏電阻:不要求絕緣電壓和絕緣阻值測試的熱敏電阻。起始電流(Iin):在電路開關啟動到閉合瞬間所出現(xiàn)的電流,即Iin。峰值電流(Iinp-p):起始電流(Iin)的峰-峰值。時間特性指熱敏電阻器在施加電壓過程中電流隨時間的變化特性。(如圖2)

圖2電流-時間特性阻溫特性：在規(guī)定電壓下，PTC熱敏電阻器的零功率電阻值與電阻本體溫度之間的關系。（如圖3）圖3阻溫特性額定零功率電阻值(R25或Rn)：指的是在25℃最小阻值（最小阻值（Rmin）：是指從常溫25℃開始，溫度曲線系列所對應的最小電阻值時，開關溫度(Tc)：當阻值開始呈現(xiàn)階躍性增加時的溫度為開關溫度，即當阻值升至2倍開關溫度最小電阻值（Rmin）時所對應的溫度，也稱居里溫度。最大工作電壓(Vmax)：在最高允許環(huán)境溫度下，PTC熱敏電阻器能持續(xù)承受的最大工作電壓。最大電流（最大電流（Imax）：指在最大工作電壓下，允許通過PTC熱敏電阻器的最大電流。）不動作電流(Int)：不動作電流即額定電流或保持電流，指在規(guī)定的時間和溫度條件下，不動作電流不導致PTC熱敏電阻器呈現(xiàn)高阻態(tài)的最大電流。動作電流(It)：指在規(guī)定的時間和溫度條件下，使PTC熱敏電阻器阻值呈階躍型增加動作電流時的最小電流。最大電壓下的溫度范圍：PTC熱敏電阻器在最大電壓下仍能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍。最大電壓下的溫度范圍耗散系數(shù)（耗散系數(shù)（δ）：PTC熱敏電阻器中功率耗散的變化量與元件相應溫度變化量之比，稱為耗散系數(shù)(mw/℃)。δ=P/（T-Tr）耐壓值：指在規(guī)定的時間和溫度條件下，PTC熱敏電阻器能承受的最大電壓，超過這耐壓值個電壓，PTC熱敏電阻器將擊穿。熱時間常數(shù)（熱時間常數(shù)（τ）：在靜止的空氣中，PTC熱敏電阻器從自身溫度變化到與環(huán)境溫度之差的63.2%時所需的時間。殘余電流(Ir)：指在最大工作電壓下，PTC熱敏電阻器阻值躍變后，熱平衡狀態(tài)下的殘余電流電流。溫度系數(shù)：一般指R1、R2所對應的溫度即是T1、T2，分別比居里溫度高10℃和25上限溫度（UCT）：熱敏電阻可繼續(xù)工作時的最大環(huán)境溫度。下限溫度（LCT）：熱敏電阻可繼續(xù)工作時的最小環(huán)境溫度。熱敏電阻器(thermistor)——型號MZ、MF：熱敏電阻器是一種對溫度反應較敏感、阻值會隨著溫度的變化而變化的非線性電阻器，通常由單晶、多晶半導體材料制成。文字符號：“RT”或“R”熱敏電阻器的種類：A．按結構及形狀分類——圓片形（片狀）、圓柱形（柱形）、圓圈形（墊圈形）等多種熱敏電阻器。B．按溫度變化的靈敏度分類——高靈敏度型（突變型）、低靈敏度型（緩變型）熱敏電阻器。C．按受熱方式分類——直熱式熱敏電阻器、旁熱式熱敏電阻器。D．按溫變（溫度變化）特性分類——正溫度系數(shù)（PTC）、負正溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器。熱敏電阻器的主要參數(shù)：熱敏電阻器的主要參數(shù)：除標稱阻值、額定功率和允許偏差等基本指標外，還有如下指標：測量功率：1）指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體受測量電源加熱而引起阻值變化不超過0.1％時所消耗的功率。2）材料常數(shù)：是反應熱敏電阻器熱靈敏度的指標。通常，該值越大，熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。3）電阻溫度系數(shù)：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每變化1℃4）熱時間常數(shù)：指熱敏電阻器的熱惰性。即在無功功率狀態(tài)下，當環(huán)境溫度突變時，電阻體溫度由初值變化到最終溫度之差的63.2％所需的時間。5）耗散系數(shù)：指熱敏電阻器的溫度每增加1℃6）開關溫度：指熱敏電阻器的零功率電阻值為最低電阻值兩倍時所對應的溫度。7）最高工作溫度：指熱敏電阻器在規(guī)定的標準條件下，長期連續(xù)工作時所允許承受的最高溫度。8）標稱電壓：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在規(guī)定的溫度下，與標稱工作電流所對應的電壓值。9）工作電流：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在在正常工作狀態(tài)下的規(guī)定電流值。10）穩(wěn)壓范圍：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內穩(wěn)定電壓的范圍值。11）最大電壓：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻器正常工作時所允許連續(xù)施加的最高電壓值。12）絕緣電阻：指在規(guī)定的環(huán)境條件下，熱敏電阻器的電阻體與絕緣外殼之間的電阻值。●正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC—positivetemperaturecoefficientthermistor）結構——用鈦酸鋇（BaTiO3）、鍶（Sr）、鋯（Zr）等材料制成的。屬直熱式熱敏電阻器。特性——電阻值與溫度變化成正比關系，即當溫度升高時電阻值隨之增大。在常溫下，其電阻值較小，僅有幾歐姆～幾十歐姆；當流經它的電流超過額定值時，其電阻值能在幾秒鐘內迅速增大至數(shù)百歐姆～數(shù)千歐姆以上。作用與應用——廣泛應用于彩色電視機消磁電路、電冰箱壓縮機啟動電路及過熱或過電流保護等電路中、還可用于電驅蚊器和卷發(fā)器、電熱墊、暖器等小家電中。●負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC—negativetemperaturecoefficientthermistor）結構——用錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋁（Al）等金屬氧化物（具有半導體性質）或碳化硅（SiC）等材料采用陶瓷工藝制成的。特性——電阻值與溫度變化成反比關系，即當溫度升高時，電阻值隨之減小。作用與應用——廣泛應用于電冰箱、空調器、微波爐、電烤箱、復印機、打印機等家電及辦公產品中，作溫度檢測、溫度補償、溫度控制、微波功率測量及穩(wěn)壓控制用。2.熱敏電阻式傳感器分類2.1正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻器PTC的意思是正的溫度系數(shù)的縮寫，泛指正溫度系數(shù)很大的半導體材料或元器件。熱敏電阻PTC是一種半導體發(fā)熱陶瓷，當外界溫度降低，PTC的電阻值隨之減小，發(fā)熱量反而會相應增加。PTC的工作原理PTC熱敏電阻(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導體電阻,一旦超過一定的溫度(居里溫度)時,它的電阻值隨著溫度的升高幾乎是呈階躍式的增高.PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過PTC熱敏電阻的電流來獲得,也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來獲得.陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體,而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基,摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的,具有較低的電阻及半導特性.通過有目的的摻雜一種化學價較高的材料作為晶體的點陣元來達到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代,因而得到了一定數(shù)量產生導電性的自由電子.對于PTC熱敏電阻效應,也就是電阻值階躍增高的原因,在于材料組織是由許多小的微晶構成的,在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘,阻礙電子越界進入到相鄰區(qū)域中去,因此而產生高的電阻.這種效應在溫度低時被抵消:在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成并使電子可以自由地流動.而這種效應在高溫時,介電常數(shù)和極化強度大幅度地降低,導致勢壘及電阻大幅度地增高,呈現(xiàn)出強烈的PTC效應。其電阻溫度特性曲線如下圖所示：圖4電阻------溫度特性2.2負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻器NTC的意思是負的溫度系數(shù)，繁殖負溫度系數(shù)很大的半導體材料或元器件。NTC熱敏電阻器是一種典型具有溫度敏感性的半導體電阻，她的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的減少。所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數(shù)熱敏電阻器.它是以錳,鈷,鎳和銅等金屬氧化物為主要材料,采用陶瓷工藝制造而成的.這些金屬氧化物材料都具有半導體性質,因為在導電方式上完全類似鍺,硅等半導體材料.溫度低時,這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數(shù)目少,所以其電阻值較高;隨著溫度的升高,載流子數(shù)目增加,所以電阻值降低。其電阻溫度特性曲線如圖5所示：圖5電阻——溫度特性3.本應用的具體內容本設計通過對可燃物表面溫度的測量，利用溫度的變化會引起熱敏電阻傳感器阻值變化的原理控制電路工作狀態(tài)，實現(xiàn)自動報警的功能。電路的主要組成有熱敏電阻、電阻、可調電阻、滌綸電容、發(fā)光二極管、施密特集成電路、壓電蜂鳴器、電池等器件。如圖5所示：圖6報警電路圖本電路分兩部分，由A、B及R4、C1組成上限報警功能。而以C、D及R5、C2構成下限報警功能，電路見圖1。

工作原理：平時RP1、RP2分別設置上限和下限兩個報警點，使A和C輸入端都為高電平，輸出都為低電平而使振蕩器都停振。當溫度過高時，熱敏電阻R1阻值減小，使A輸出高電平，B起振，壓電陶瓷片YD發(fā)出高音調的蜂鳴聲。同時，發(fā)光二極管LED1亮，顯示溫度過高。溫度過低時，熱敏電阻R2阻值增大使C輸出高電平，D起振，壓電片YD發(fā)出低音調的蜂鳴聲。發(fā)光二極管LED2亮，顯示溫度過低。

施密特觸發(fā)器是一種脈沖信號的整形電路，它與一般觸發(fā)器一樣，有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)，但不同于前述的各類觸發(fā)器，其特點如下：（1）施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號也可作為觸發(fā)輸入信號，當輸入信號達到某一特定的值時，輸出電平會發(fā)生突變，即施密特觸發(fā)器會從一個穩(wěn)態(tài)翻轉到另一個穩(wěn)態(tài)。（2）輸入信號從低電平上升時的轉換電平與輸入信號從高電平下降時的轉換電平不同，即傳輸特性形成滯環(huán)。4.具體應用過程圖7熱敏電阻傳感器將熱敏電阻傳感器與易燃物品或所監(jiān)測物品放置在一起，當所監(jiān)測物品溫度過高時，如圖一原理圖，熱敏電阻R1阻值減小，使A輸出高電平，B起振，壓電陶瓷片YD發(fā)出高音調的蜂鳴聲，物主聽到蜂鳴聲即可知道該物品溫度過高，對物品進行降溫或通風處理即可避免火災的發(fā)生，從而實現(xiàn)了自動報警功能。結論本文主要設計實現(xiàn)了一種熱敏電阻測溫系統(tǒng)，具體地闡述了熱敏電阻溫度測量系統(tǒng)的設計方法，主要完成了以下幾個方面的工作：1.回顧和總結了熱敏電阻溫度測量的原理及其應用，對熱敏電阻溫度測溫系統(tǒng)的可行性進行了分析，設計了熱敏電阻溫度測量系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。2.進行了硬件電路設計，并根據出現(xiàn)的問題，對硬件和軟件作相應的修改和完善，直至最終定型，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的功能?？傊鞠到y(tǒng)基本達到了預期目標功能，系統(tǒng)運行可靠、操作簡便，但該系統(tǒng)還有一些不完善的地方，對該課題研究的后續(xù)工作可以從以下方面繼續(xù)展開：利用信息傳遞技術，實現(xiàn)熱敏電阻溫度測量系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，比如主人遠程接收報警信號，遠程監(jiān)控可燃物或易燃物的溫度，這將使系統(tǒng)更加完善。在以后的學習工作中，我將繼續(xù)開展這方面的工作，使熱敏電阻測溫系統(tǒng)更加完善。參考文獻[1]劉修文.新編電子控制電路[M].北京:機械工業(yè)出版社