傳感器原理及應用03433ppt課件

為了配合電子工業(yè)出版社2011年1月出版的 傳感器原理及應用 書號 ISBN978 7 121 12723 6楊少春主編 教材的教學 我們制作了本教材配套的多媒體課件 由于時間緊迫 制作者水平有限 課件中難免有不足之處 懇請廣大讀者批評指正 說明 長江工程職業(yè)技術學院周海波武漢職業(yè)技術學院楊少春 2011 6 20 傳感器技術及應用 主講周海波 模塊一傳感器的基本知識 任務目標 了解傳感器的定義和組成方框圖 了解傳感器的特點及應用 掌握傳感器的分類 掌握傳感器的主要參數(shù) 一 傳感器的作用 因為一般的儀器 儀表要求輸入的信號必須為電信號 計算機及各種電子設備只能處理電信號 而表征物質特性或其運動形式的參數(shù)中有很多都是非電量 如大家在自然界經常接觸到的溫度 壓力 距離 流量 重量 速度 加速度 濃度 酸堿度 濕度 光 磁場等 上述的非電量需要轉換成與非電量有一定關系的電量 再運用電子設備和儀器測量 實現(xiàn)這種轉換技術的器件就是傳感器 二 傳感技術的特點 1 用傳感技術進行檢測時 響應速度快 精確度高 靈敏度高 2 能在特殊環(huán)境下連續(xù)進行檢測 便于自動記錄能在人類無法存在的高溫 高壓 惡劣環(huán)境中 和對人類五官不能感覺到的信息 如超聲波 紅外線等 進行連續(xù)檢測 記錄變化的數(shù)據(jù) 3 可與計算機相連 進行數(shù)據(jù)的自動運算 分析和處理傳感器將非電物理量轉換成電信號后 通過接口電路變成計算機能夠處理的信號 進行自動運算 分析和處理 4 品種繁多 應用廣泛現(xiàn)代信息系統(tǒng)中待測的信息量很多 一種待測信息可由幾種傳感器來測量 一種傳感器也可測量多種信息 因此傳感器種類繁多 應用廣泛 從航空 航天 兵器 交通 機械 電子 冶煉 輕工 化工 煤炭 石油 環(huán)保 醫(yī)療 生物工程等領域 到農 林 牧 副 漁業(yè) 以及人們的衣 食 住 行等生活的方方面面 幾乎無處不使用傳感器 無處不需要傳感器 三 傳感器的發(fā)展趨勢 1 新材料的開發(fā) 應用如 半導體材料 功能陶瓷材料 功能金屬 功能有機聚合物 非晶態(tài)材料 固體材料及薄膜材料等 都可進一步提高傳感器的產品質量 降低生產成本 2 新工藝 新技術的應用將半導體的精密細微加工技術應用在傳感器的制造中 可極大提高傳感器的性能指標 并為傳感器的集成化 超小型化提供技術支撐 借助半導體的蒸鍍技術 擴散技術 光刻技術 靜電封閉技術 全固態(tài)封接技術 也可取得類似的功效 3 向小型化 集成化方向發(fā)展由于航空技術的發(fā)展 以及醫(yī)療器件和一些特殊場合的需要 傳感器必須向小型化 微型化方向發(fā)展 以便減小體積和質量 4 傳感器的智能化將傳統(tǒng)的傳感器和微處器及相關電路組成一體化的結構就是智能傳感器 因為它本身帶有微型計算機 具有自動校準 自動補償 自動診斷 數(shù)據(jù)處理 遠距離雙向通信 信息存儲記憶和數(shù)字信號輸出等功能 5 傳感器的網絡化將傳感器和計算機與網絡技術有機結合 使傳感器成為網絡中的智能節(jié)點 這種努力使多個傳感器組成網絡直接通信 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實施發(fā)布 共享 以及網絡控制器對節(jié)點的控制操作 另外 通過Internet網 傳感器與用戶之間可異地交換信息 廠商能直接與異地用戶交流 能及時完成傳感器故障診斷 指導用戶維修或交換新儀器改進的數(shù)據(jù) 軟件升級等工作 另外 在微機電技術 自組織網絡技術 低功耗射頻通信技術及低功耗微型計算機技術的共同促進下 傳感器朝微型化和網絡化的方向迅速發(fā)展 產生了無線傳感器網絡 四 傳感器需求與開發(fā)的重點方向 1 工業(yè)過程控制與汽車傳感器2 環(huán)保傳感器3 醫(yī)療衛(wèi)生與食品監(jiān)測傳感器4 微小型傳感器及MEMS 微電子機械系統(tǒng) 5 生物 醫(yī)學研究急需要的新型傳感器6 生態(tài)農業(yè)傳感器 五 傳感器的定義與組成 傳感器的定義是 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置 通常由對被測量敏感的元件和轉換元件組成 其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分 如應變式壓力傳感器中的彈性膜片 就是敏感元件 轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應到的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號 電壓 電流 部分 如電阻應變片就是轉換元件 根據(jù)以上定義可畫出傳感器的組成框圖 如圖1 1所示 圖1 1傳感器組成框圖 六 傳感器的分類與特點 傳感器常用的分類方法有兩種 一種是按被測輸入量劃分 另一種是按傳感器的工作原理劃分 1 按被測物理量劃分這一種方法是根據(jù)被測量的性質進行分類 如被測量分別為溫度 濕度 壓力 位移 流量 加速度 光 則對應的傳感器分別為溫度傳感器 濕度傳感器 壓力傳感器 位移傳感器 流量傳感器 加速度傳感器 光電傳感器 2 按傳感器工作原理劃分這一種分類方法是以工作原理來劃分 將物理 化學 生物等學科的原理 規(guī)律和效應作為分類的依據(jù) 據(jù)此可將傳感器分為電阻式 電感式 電容式 阻抗式 磁電式 熱電式 壓電式 光電式 超聲式 微波式等類別 這種分類方法有利于傳感器的專業(yè)工作者從原理與設計上作歸納性的分析研究 七 傳感器的基本特性 傳感器的基本特性一般是指傳感器的輸出與輸入之間的關系 有靜態(tài)和動態(tài)之分 通常是以建立數(shù)學模型來體現(xiàn)的 為了簡化傳感器的靜 動態(tài)特性 可以分開來研究 1 傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指在靜態(tài)信號作用下 傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關系 其靜態(tài)特性可表示為 y a0 a1x a2x2 anxn 1 1 常用的靜態(tài)性能指標包括靈敏度 精確度 測量范圍 量程 線性度及誤差等 1 靈敏度傳感器的靈敏度K是指達到穩(wěn)定狀態(tài)時 輸出增量與輸入增量的比值 1 3 線性傳感器的靈敏度就是其靜態(tài)特性的斜率 而非線性傳感器的靈敏度則是其靜態(tài)特性曲線某點處切線的斜率 2 線性度線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度 又稱非線性誤差 如圖1 2所示 即為在垂直方向上最大偏差 ymax 與最大輸出ymax的百分比 圖中a0稱為零位輸出 即被測量為零時傳感器的指示值 1 4 圖1 2傳感器的線性度誤差 圖1 3傳感器的重復性 3 重復性重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得到的特性曲線的不一致程度 如圖1 3所示 用公式表示為 1 5 式中 mmax取 m1 m2中最大的計算 ymax為滿量程輸出值 傳感器輸出特性的不重復性主要是由傳感器的機械部分的磨損 間隙 松動 部件內摩擦 積塵 電路元件老化 工作點漂移等原因產生的 4 遲滯現(xiàn)象 遲滯現(xiàn)象是傳感器在正向行程 輸入量增大 和反向行程 輸入量減小 期間輸出 輸入曲線不重合的程度 如圖1 4所示 1 6 1 7 遲滯現(xiàn)象反映了傳感器機械結構和制造工藝上的缺陷 如軸承摩擦 間隙 螺釘松動 元件腐蝕等 5 精確度傳感器的精確度是指傳感器的輸出指示值與被測量約定真值的一致程度 反映了傳感器測量結果的可靠程度 在工程應用中 為了簡單表示測量結果的可靠性程度 引入精確度這個等級概念 用A表示 它表示允許的最大絕對誤差與滿度量程的比值的百分數(shù) 即 1 8 式中A 傳感器精確度 A 測量范圍內允許的最大絕對誤差 ymax 滿度量程輸出值 常用的檔次為0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 5 0 例如 0 5級的儀表表示其允許的最大使用誤差為0 5 6 分辨力傳感器的分辨力是在規(guī)定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量的能力 通常是以最小量程單位值表示 當被測量的變化值小于分辨力時 傳感器對輸入量的變化無任何反應 7 穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下經過一定的時間間隔 傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異 通常有長期穩(wěn)定性 如年 月 日 和短期穩(wěn)定性 如時 分 秒 之分 傳感器的穩(wěn)定性常用長期穩(wěn)定性表示 8 漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下 輸出量發(fā)生與輸入量無關的不需要的變化 漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等 零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移 時間漂移是指在規(guī)定的條件下 零點或靈敏度隨時間的緩慢變化 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化 2 傳感器的動態(tài)特性 傳感器的動態(tài)特性是指傳感器在測量快速變化的輸入信號情況下 輸出對輸入的響應特性 傳感器測量靜態(tài)信號時 由于被測量不隨時間變化 測量和記錄的過程不受時間限制 但是在工程實踐中 檢測的是大量隨時間變化的動態(tài)信號 這就要求傳感器不僅能精確地測量信號的幅值大小 而且還能顯示被測量隨時間變化的規(guī)律 即正確的再現(xiàn)被測量波形 傳感器測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性來表示 在動態(tài)測量中 當被測量作周期性變化時 傳感器的輸出值隨著周期性變化 其頻率與前者相同 但輸出幅值和相位隨頻率的變化而變化 這種關系稱為頻率特性 輸出信號的幅值隨頻率變化而改變的特性稱為幅頻特性 輸出信號的相位隨頻率的變化而改變的特性稱為相頻特性 幅值下降到穩(wěn)定幅值的0 707倍時所對應的頻率稱為截止頻率 習題 1 2 模塊二力敏傳感器及其應用 課題一力敏傳感器的工作原理與分類 任務目標 掌握電阻應變式力敏傳感器的工作原理 掌握電感應變式力敏傳感器的工作原理 了解電阻應變式和電感應變式力敏傳感器之間的區(qū)別 一 力敏傳感器概述 力敏傳感器 顧名思義就是能對各種力或能轉化為力的物理量產生反應 并能將其轉變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件 很顯然 要成為真正實用意義上的力敏傳感器 這個由力轉化為電參數(shù)的過程最好能成線性關系 根據(jù)由力至電參數(shù)轉變的方式不同 力敏傳感器一般有電阻應變式傳感器 電位計式傳感器 電感式傳感器 壓電式傳感器 電容式傳感器等 它們也可用來測量力值 二 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是目前工程測力傳感器中應用最普遍的一種傳感器 它測量精度高 范圍廣 頻率響應特性較好 結構簡單 尺寸小 易實現(xiàn)小型化 并能在高溫 強磁場等惡劣環(huán)境下使用 并且工藝性好 價格低廉 它主要應用在力作用下 將材料應變轉變?yōu)殡娮柚档淖兓?從而實現(xiàn)力值的測量 組成電阻應變片的材料一般為金屬或半導體材料 1 電阻應變式傳感器工作原理 1 應變效應由物理學可知 電阻絲的電阻R與電阻絲的電阻率 導體長度及截面積存在如下關系 2 1 圖2 1電阻絲應變效應 2 電阻應變式傳感器的結構及特性 金屬電阻應變片分為金屬絲式和金屬箔式兩種 金屬絲式電阻應變片 金屬絲式電阻應變片的基本結構圖如圖2 2所示 由敏感柵1 基底2和蓋層3 引線4和黏結劑幾個基本部分組成 圖2 2金屬絲式電阻應變片的基本結構圖 金屬箔式應變片 如圖2 3所示 它與金屬絲式電阻應變片相比 有如下優(yōu)點 用光刻技術能制成各種復雜形狀的敏感柵 橫向效應小 散熱性好 允許通過較大電流 可提高相匹配的電橋電壓 從而提高輸出靈敏度 疲勞壽命長 蠕變小 生產效率高 但是 制造箔式應變片的電阻值的分散性要比絲式應變片的大 有的能相差幾十歐姆 需要調整阻值 金屬箔式應變片因其一系列優(yōu)點而將逐漸取代絲式應變片 并占主要地位 a 箔式單向應變片 b 箔式轉矩應變片 c 箔式壓力應變片 d 箔式花狀應變片 圖2 3各種箔式應變片 2 電阻應變片傳感器基本應用電路 將電阻應變片粘貼于待測構件上 應變片電阻將隨構件應變而改變 將應變片電阻接入相應的電路中 使其轉化為電流或電壓輸出 即可測出力值 通常將應變片接入電橋來實現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉換 根據(jù)電橋電源不同 又分直流電橋和交流電橋 這里主要介紹直流電橋 圖2 4所示為一直流電橋 計算可知 2 2 若使此電橋平衡 即 只要 一般我們取即可實現(xiàn) 現(xiàn)將換成電阻應變片 即組成半橋單臂電橋 隨構件產生應變造成傳感器電阻變化時 式 2 2 變成 2 3 一般 可忽略 由此可得 可見 輸出電壓與電阻變化率成線性關系 也即和應變成線性關系 由此即可測出力值 由式 2 3 可得半橋單臂工作輸出的電壓靈敏度 2 4 為了提高輸出電壓靈敏度 可以采用半橋雙臂或全橋電路 如圖2 5所示 圖2 5 a 為半橋雙臂 圖2 5 b 為全橋電路 a 半橋雙臂 b 全橋電路 圖2 5直流電橋的連接方式 對于半橋雙臂 2 5 全橋 2 6 即半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍 而全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度提高一倍 可見 利用全橋 并提高供電電壓E 可提高靈敏度系數(shù) 3 溫度誤差及其補償 用作測量應變的金屬應變片 希望其阻值僅隨應變變化 而不受其它因素的影響 實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度 包括被測試件的溫度 影響很大 由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級 從而產生很大的測量誤差 稱為應變片的溫度誤差 又稱熱輸出 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素 應變片的電阻絲 敏感柵 具有一定溫度系數(shù) 電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同 1 溫度誤差 2 溫度補償 一般采用橋路補償法 應變片補償法或熱敏電阻補償法 所謂橋路補償法 如圖2 4所示 當ab間接入應變片傳感器 bc間也接入同樣的應變片 但bc間接入的應變片不受構件應變力的作用 將它用同樣的方法粘貼在與ab間應變片所貼構件材料相同的材料上 并與ab間應變片處于同一溫度場中 這樣ab bc間應變片的阻溫效應相同 電阻的變化量也相同 由電橋理論可知 它們起了互相抵消作用 對輸出電壓沒有影響 應變片補償法分自補償和互補償兩種 自補償法的原理是合理選擇應變片阻溫系數(shù)及線膨脹系數(shù) 使之與被測構件線膨脹系數(shù)匹配 使應變片溫度變化時 由熱造成的輸出值為0 應變片互補償法的原理是檢測用的應變片敏感柵由兩種材料組成 在溫度變化時 它們的阻值變化量相同 但符號相反 這樣就可抵消由于溫度變化而造成傳感器誤輸出 使用中要注意選配敏感柵電阻絲材料 熱敏電阻補償法如圖2 6所示 圖中R5為分流電阻 Rt為NTC熱敏電阻 使Rt與應變式傳感器處在同一溫度場中 適當調整R5值 可使與Uab的乘積不變 熱輸出為零 圖2 6熱敏電阻補償法 電阻應變式傳感器廣泛應用在測力及可以轉化為力值的量 如加速度等 圖2 8應變式加速度傳感器原理圖 加速度傳感器就是將被測加速度通過一個懸臂梁將力轉化成應變片的應力 從而達到測量加速度的目的 三 電感式傳感器 1 工作原理電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置 可以用來測量位移 振動 壓力 流量 重量 力矩和應變等多種物理量 電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感 在被測量轉換成線圈自感或互感的變化時 一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象 這類傳感器的主要特征是具有繞組 2 優(yōu)點和缺點 1 優(yōu)點結構簡單可靠 輸出功率大 抗干擾能力強 對工作環(huán)境要求不高 分辨力較高 如在測量長度時一般可達0 1mm 示值誤差一般為示值范圍的0 1 0 5 穩(wěn)定性好 2 缺點頻率響應低 不宜用于快速動態(tài)測量 一般來說 電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關 示值范圍大時 分辨力和示值精度將相應降低 3 種類電感式傳感器種類很多 有利用自感原理的自感式傳感器 通常稱電感式傳感器 有利用互感原理的差動變壓器式傳感器 此外 還有利用渦流原理的渦流式傳感器 利用壓磁原理的壓磁式傳感器和利用互感原理的感應同步器等 下面簡單介紹其中一種較為常見的傳感器 變壓器式傳感器 變壓器式傳感器工作原理 變壓器式傳感器是將非電量轉換為線圈間互感的一種磁電動機構 很像變壓器的工作原理 因此常稱其為變壓器式傳感器 這種傳感器多采用差動形式 圖2 9氣隙型差動變壓器式傳感器 當沒有非電量輸入時 銜鐵C與鐵心A B的間隔相同 則繞組W1a和W2a間的互感ma與繞組W1b和W2b間的互感mb相等 當銜鐵的位置改變時 則ma不等于mb ma和mb的差值即可反映被測量值的大小 為反映差值互感 將兩個一次繞組的同名端順向串聯(lián) 并施加交流電壓u 二次繞組的同名端反向串聯(lián) 同時測量串聯(lián)后的合成電動勢e2為 e2 e2a e2b e2值的大小取決于被測位移的大小 e2的方向取決于位移的方向 圖2 10截面積型差動變壓器式傳感器 圖2 10所示為改變氣隙有效截面積型差動變壓器式傳感器 輸入非電量為角位移 它是一個山字形鐵芯A上繞有三個繞組 銜鐵B以O點為軸轉動 銜鐵B轉動時由于改變了鐵芯與銜鐵間磁路上的垂直有效截面積s 也就改變了繞組間的互感 使其中一個互感增大 另一個互感減小 因此兩個二次繞組中的感應電動勢也隨之改變 將繞組w2a和w2b反相串聯(lián)并測量合成電動勢e2 就可以判斷出非電量的大小及方向 一般來說 較小位移量的測量采用差動變壓器 圖2 11列出其應用實例 圖2 11 a 為測物體重量的電子秤 用差動變壓器把彈簧的位移變?yōu)殡娦盘?換算為重量即可 圖2 11 b 為偏心測量儀 以起始點作為基準 用正負量來顯示轉體的偏心程度 a 電子秤 b 偏心測量儀 圖2 11差動變壓器應用實例 為了測量列車運行的速度和加速度的大小 可采用如圖所示的裝置 它是由一塊安裝在列車頭底部的強磁體和埋設在軌道地面的一組線圈及電流測量儀組成的 測量儀未畫出 當列車經過線圈上方時 線圈中產生的電流被記錄下來 就能求出列車在各位置的速度和加速度 階段小結力敏傳感器是將動態(tài)或靜態(tài)力的大小轉換成便于測量的電量的裝置 本模塊介紹了電阻應變式傳感器 其將外力轉化成電阻值的變化 再利用電橋電路檢測出電阻值的變化值 從而得出對應的力變化量 還講述了電感式傳感器 其將外力引起的微小位移量轉化成電感參數(shù)的變化 從而得出相應力的變化量 如位移量很小 可采用差動變壓器來放大信號的方式 以提高傳感器的靈敏度 課題二壓電傳感器的轉換原理 任務目標 掌握壓電式力敏傳感器的工作原理 掌握電容應變式力敏傳感器的工作原理 了解壓電應變式和電感應變式力敏傳感器之間的區(qū)別 壓電傳感器是利用某些半導體材料的壓電效應來實現(xiàn)由力至電量的轉化 屬于有源傳感器類 由于其靈敏系數(shù)高 信噪比高 使用頻帶寬 體積小 方便耐用等優(yōu)點已廣泛應用在工業(yè) 軍事及民用等方面 壓電傳感器材料一般有三類 壓電單晶 壓電陶瓷和有機壓電薄膜 一 壓電傳感器 1 壓電轉換元件的工作原理 1 壓電效應某些晶體或有機薄膜 當沿著一定方向受到外力作用時 內部極化 某兩個面產生符號相反的電荷 當外力去掉后 又恢復到不帶電狀態(tài) 當作用力方向改變時 電荷的極性也改變 晶體受力所產生的電量與外力的大小成正比 即式中 是壓電常數(shù) 它反映了壓電效應的強弱 上述現(xiàn)象稱正壓電效應 反之 如對晶體施加一交變電場 晶體本身將產生變形 此稱電致伸縮現(xiàn)象 也稱逆壓電效應 如圖2 14所示 2 9 a 材料受壓 b 材料受拉 c 材料受壓 d 材料受拉 圖2 14壓電效應 2 壓電傳感器材料及特性常用壓電傳感器的材料一般有壓電單晶 壓電陶瓷和有機壓電薄膜 石英單晶分人工石英和天然石英 它們是單晶中使用頻率最高的一種傳感器 其特點是介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好 如圖2 15所示 適用的工作溫度范圍寬 動態(tài)響應快 機械強度大 彈性系數(shù)高 穩(wěn)定性好 a 壓電常數(shù)與溫度的關系 b 介電常數(shù)與溫度的關系 石英晶體的外形是規(guī)則的六角棱柱體 它有三個晶軸 如下圖所示 石英晶體的坐標軸和切片 縱向壓電效應 沿著X軸對晶片施加力時 在垂直于X軸的表面上產生電荷 橫向壓電效應 沿著Y軸對晶片施加力時 在垂直于X軸的表面上產生電荷 壓電陶瓷是多晶體 最常見的有鈦酸鋇 鋯鈦鉛系列等 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質 是人工制造的多晶壓電材料 它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構 電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域 它有一定的極化方向 從而存在一定的電場 在無外電場作用時 各個電疇在晶體上雜亂分布 它們的極化效應被相互抵消 因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零 經過人工極化后 保留很強的剩余極化的情況下才能作為壓電材料使用 有機壓電薄膜隨著科技的進步發(fā)展也較快 它既具有高分子材料的柔軟性又具有壓電陶瓷的特性 可以做成較大面積 主要用于微壓測量和機器人的觸覺 天然石英晶體 b 石英晶體薄片 c 壓電陶瓷 d 高分子壓電薄膜 各種壓電材料的外形圖 3 壓電傳感器的結構壓電傳感器是一種有源傳感器 同時又是一個電容器 其結構如圖2 17 a 所示 它是在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍 形成金屬膜 引出兩個電極 實際應用中常將兩個以上晶片進行串聯(lián)或并聯(lián) 如圖2 17 b c 所示 就如同將兩個電容器串聯(lián)和并聯(lián)一樣 串聯(lián)輸出的電壓高 自身電容小 并聯(lián)輸出電荷量大 電容量大 串聯(lián)主要用在以電壓為輸出量及測量電路輸入阻抗很高的場合 而并聯(lián)由于時間常數(shù)大 主要用于以電荷為輸出量的場合 適于測量緩變信號 a 壓電晶片 b 串聯(lián) c 并聯(lián) 圖2 17壓電晶片及壓電傳感器結構 4 壓電傳感器基本應用電路根據(jù)后續(xù)放大電路是電壓放大還是電荷放大 可將壓電傳感器等效為電壓源電路和電荷源電路 如圖2 18所示 Ca為等效電容 a 電荷源等效電路 b 電壓源等效電路 圖2 18壓電傳感器等效電路 由于壓電傳感器產生的電量非常小 且內阻極高 就要求測量電路的輸入電阻盡量大 這樣才能減小測量誤差 因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗的前置放大器 然后再接入一般的放大電路 前置放大器有兩個作用 第一是將壓電傳感器的輸出信號放大 第二是將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出 壓電式傳感器的測量電路有電荷型與電壓型兩種 相應的前置放大器也有電荷型與電壓型兩種型式 下面簡單介紹電荷型放大電路 如圖2 19所示 a 等效電路 b 簡化電路 圖2 19壓電式傳感器電荷放大的電路 圖2 19 a 中Ra為壓電傳感器的絕緣電阻 Cc為連接電纜的傳輸電容 Ri為前置放大器的輸入電阻 Ci為前置放大器輸入電容 圖 b 中為等效綜合電容 Ci Ca Cc 即為等效綜合電阻 兩圖中Rf Cf為反饋電阻和電容 分析計算可得輸出電壓 2 10 可見輸出電壓值主要決定于和Cf 因此要得到必要的測量精度 反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性要好 在實際應用中 考慮到不同的量程 Cf的容量一般做成可調式 范圍在100 10000pF之間 2 幾種常見的壓電傳感器 1 壓電式單向測力傳感器壓電式單向測力傳感器結構如圖2 20所示 主要由石英晶片 絕緣套 電極 上蓋及基座等組成 傳感器上蓋為傳力元件 其外緣壁厚為0 1 0 5mm 當受外力F作用時 它將產生彈性變形 將力傳遞到石英晶片上 石英晶片采用xy型 利用其縱向壓電效應 圖2 20壓力式單向測力傳感器結構圖 2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器結構如圖2 21所示 主要由壓電元件 質量塊 預壓彈簧 基座及外殼等組成 整個部件裝在外殼內 并用螺栓加以固定 當壓電式加速度傳感器和被測物體一起受到沖擊振動時 壓電元件受質量塊慣性力的作用 根據(jù)牛頓第二定律 此慣性力F是加速度a的函數(shù) 即F ma 2 11 式中F 質量塊產生的慣性力 m 質量塊的質量 a 加速度 圖2 21壓電式加速度傳感器結構圖 慣性力F作用于壓電元件上而產生電荷q 當傳感器選定后 質量塊的質量m為常數(shù) 則傳感器輸出電荷q為q d11F d11ma 2 12 式中d11 壓電系數(shù) 由式 2 12 可見 壓電式測力傳感器輸出電荷q與加速度成正比 因此 測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小 3 壓電式傳感器在測漏中的應用如果地面下一均勻的自來水直管道某點O漏水 水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播 在管道A B兩點放兩只壓電傳感器 由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用的時間差可計算出LA或LB 兩者時間差為 又L LA LB 所以 二 電容式傳感器 電容式傳感器是一種能將被測物理量轉變?yōu)閭鞲衅鞯碾娙萘孔兓?然后再通過一定的電路將此電容的變化轉換為電壓 電流或頻率等信號的輸出 從而實現(xiàn)對物理量的測量 電容式傳感器具有如下優(yōu)點 結構簡單 輕巧 易于制造 功率小 阻抗高 靈敏度高 動態(tài)特性好 能在高低溫及強輻射的惡劣環(huán)境中工作 能進行非接觸測量等 當然 電容式傳感器也有其不足之處 如負載能力差 寄生電容影響較大 輸出為非線性等 隨著電子技術的發(fā)展 電容式傳感器的性能已得到了很大的改善 在位移 壓力 液位等物理量測量中得到廣泛應用 1 電容式傳感器工作原理電容傳感器的工作原理可從平板電容器加以說明 如圖2 23所示 由物理學可知 兩平板組成的電容器 如不考慮邊緣效應 其電容量可用下式表示 2 13 式中S 兩極板相互遮蓋的面積 兩極板間的距離 兩極板間介質的介電常數(shù) 2 變介電常數(shù)型電容傳感器 通過改變板間介質 即介電常數(shù) 可改變電容量 下面用一實例加以說明 圖2 24所示是一密封鉛罐中測量液態(tài)氮液位高度的原理圖 在被測介質中放入兩個同心圓柱狀極板1和2 若容器內液體介質的介電常數(shù)為 液體介質上面氣體介質的介電常數(shù)為 當容器內液面高度變化時 則電容量將變化 假設液體介質為不導電液體 若導電 則電極板必須絕緣 電極板間電容C等于氣體介質間電容C2與液體介質間電容C1之和 相當于兩個電容器并聯(lián) 即 2 14 2 15 2 16 2 17 式 2 17 表明傳感器電容量C與高度呈線性關系 3 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器結構原理如圖2 25所示 利用圖2 25 a 分析 當上部平板向左位移x后 電容量由變?yōu)?用電容變化的增量與移動距離x的比值定義為靈敏度KX 則 平板形差動電容 階段小結壓電傳感器是利用壓電材料本身固有的壓電效應 將外加的壓力轉換成電荷變化量 再通過電荷 或電壓 放大后 檢測其對應的壓力 電容式傳感器是將外加力轉變成傳感器電容量的變化 然后再通過一定的電路將此電容的變化轉化為電壓 電流或頻率等信號的輸出 從而實現(xiàn)對力的測量 模塊三濕度傳感器及其應用 課題一濕度傳感器的分類及特性 任務目標 熟悉濕度的表示方法和濕度傳感器的主要特性 熟悉半導體陶瓷濕度傳感器 有機高分子濕度傳感器的基本結構 掌握其感濕特性 一 濕度傳感器概述 濕度是指物質中所含水分的量 可通過濕度傳感器進行測量 濕度傳感器是將環(huán)境濕度轉換為電信號的裝置 現(xiàn)代化的工農業(yè)生產及科學實驗對空氣濕度的重視程度日益提高 要求也越來越高 如果濕度不能滿足要求 將會造成不同程度的不良后果 1 濕度的表示方法 狹義的濕度是指空氣中水汽的含量 常用絕對濕度 相對濕度和露點 或露點溫度 等來表示 1 絕對濕度絕對濕度是指在一定溫度及壓力條件下 單位體積待測氣體中含水蒸氣的質量 即水蒸氣的密度 其數(shù)學表達式為 3 1 式中Mv 待測氣體中水蒸氣的質量 V 待測氣體的總體積 Ha 待測氣體的絕對濕度 單位為g m3 2 相對濕度相對濕度為待測氣體中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓的比值的百分數(shù) 其數(shù)學表達式為 3 2 式中PV 某溫度下待測氣體的水蒸氣壓 PW 與待測氣體溫度相同時水的飽和蒸氣壓 RH 相對濕度 單位為 RH 飽和水蒸氣壓與氣體的溫度和氣體的壓力有關 當溫度和壓力變化時 因飽和水蒸氣壓變化 所以氣體中的水蒸氣壓即使相同 其相對濕度也會發(fā)生變化 溫度越高 飽和水蒸氣壓越大 日常生活中所說的空氣濕度 實際上就是指相對濕度而言 凡談到相對濕度 必須同時說明環(huán)境溫度 否則 所說的相對濕度就失去確定的意義 3 露點水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降 在同樣的空氣水蒸氣壓下 溫度越低 則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小 當空氣溫度下降到某一溫度時 空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等 此時 空氣中的水蒸氣將向液相轉化而凝結成露珠 相對濕度為100 RH 該溫度稱為空氣的露點溫度 簡稱露點 如果這一溫度低于0 時 水蒸氣將結霜 又稱為霜點溫度 兩者統(tǒng)稱為露點 空氣中水蒸氣壓越小 露點越低 因而可用露點表示空氣中的濕度 2 濕度傳感器的主要特性 1 感濕特性感濕特性為濕度傳感器的感濕特征量 如電阻 電容 頻率等 隨環(huán)境濕度變化的規(guī)律 常用感濕特征量和相對濕度的關系曲線來表示 如圖3 1所示 圖3 1濕敏元件的感濕特性曲線 按曲線的變化規(guī)律 感濕特性曲線可分為正特性曲線和負特性曲線 性能良好的濕度傳感器 要求在所測相對濕度范圍內 感濕特征量的變化為線性變化 其斜率大小要適中 2 濕度量程濕度傳感器能夠比較精確測量相對濕度的最大范圍稱為濕度量程 一般來說 使用時不得超過濕度量程規(guī)定值 所以在應用中 希望濕度傳感器的濕度量程越大越好 以0 100 RH為最佳 濕度傳感器按其濕度量程可分為高濕型 低濕型及全濕型三大類 高濕型適用于相對濕度大于70 RH的場合 低濕型適用于相對濕度小于40 RH場合 而全濕型則適用于0 100 RH的場合 3 靈敏度靈敏度為濕度傳感器的感濕特征量隨相對濕度變化的程度 即在某一相對濕度范圍內 相對濕度改變1 RH時 濕度傳感器的感濕特征量的變化值 也就是該濕度傳感器感濕特性曲線的斜率 由于大多數(shù)濕度傳感器的感濕特性曲線是非線性的 在不同的濕度范圍內具有不同的斜率 因此常用濕度傳感器在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來表示其靈敏度 如R1 R10 表示器件在1 RH下的電阻值與在10 RH下的電阻值之比 4 響應時間當環(huán)境濕度增大時 濕敏器件有一吸濕過程 并產生感濕特征量的變化 而當環(huán)境濕度減小時 為檢測當前濕度 濕敏器件原先所吸的濕度要消除 這一過程稱為脫濕 所以用濕敏器件檢測濕度時 濕敏器件將隨之發(fā)生吸濕和脫濕過程 在一定環(huán)境溫度下 當環(huán)境濕度改變時 濕敏傳感器完成吸濕過程或脫濕過程 感濕特征量達到穩(wěn)定值的規(guī)定比例 過程所需要的時間 稱為響應時間 感濕特征量的變化滯后于環(huán)境濕度的變化 所以實際多采用感濕特征量的改變量達到總改變量的90 所需要的時間 即以相應的起始濕度和終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間90 的相對濕度變化所需的時間來計算 5 感濕溫度系數(shù)濕度傳感器除對環(huán)境濕度敏感外 對溫度也十分敏感 濕度傳感器的溫度系數(shù)是表示濕度傳感器的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù) 在不同環(huán)境溫度下 濕度傳感器的感濕特性曲線是不同的 如圖3 2所示 圖3 2濕敏元件的溫度特性 濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)定義為 濕度傳感器在感濕特征量恒定的條件下 當溫度變化時 其對應相對濕度將發(fā)生變化 這兩個變化量之比 參見式 3 3 稱為感濕溫度系數(shù) 3 3 顯然 濕度傳感器感濕特性曲線隨溫度的變化越大 由感濕特征量所表示的環(huán)境濕度與實際的環(huán)境濕度之間的誤差就越大 即感濕溫度系數(shù)越大 因此 環(huán)境溫度的不同將直接影響濕度傳感器的測量誤差 故在環(huán)境溫度變化比較大的地方測量濕度時 必須進行修正或外接補償 濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)越小越好 傳感器的感濕溫度系數(shù)越小 在使用中受環(huán)境溫度的影響也就越小 傳感器就越實用 一般濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)在0 2 0 8 RH 圖3 3濕度傳感器的濕滯特性 6 濕滯特性一般情況下 濕度傳感器不僅在吸濕和脫濕兩種情況下的響應時間有所不同 大多數(shù)濕敏器件的脫濕響應時間大于吸濕響應時間 而且其感濕特性曲線也不重合 在吸濕和脫濕時 兩種感濕特性曲線形成一個環(huán)形線 稱為濕滯回線 濕度傳感器這一特性稱為濕滯特性 如圖3 3所示 濕滯回差表示在濕滯回線上 同一感濕特征量值下 吸濕和脫濕兩種感濕特性曲線所對應的兩濕度的最大差值 在電阻為X值時 RH RHH RHL 顯然濕度傳感器的濕滯回差越小越好 7 老化特性老化特性為濕度傳感器在一定溫度 濕度環(huán)境下 存放一定時間后 由于塵土 油污 有害氣體等的影響 其感濕特性將發(fā)生變化的特性 8 互換性濕度傳感器的一致性和互換性差 當使用中濕度傳感器被損壞 那么有時即使換上同一型號的傳感器也需要再次進行調試 綜上所述 一個理想的濕度傳感器應具備以下性能和參數(shù) 使用壽命長 長期穩(wěn)定性好 靈敏度高 感濕特性曲線的線性度好 使用范圍寬 感濕溫度系數(shù)小 響應時間短 濕滯回差小 測量精度高 能在有害氣氛的惡劣環(huán)境下使用 器件的一致性 互換性好 易于批量生產 成本低 器件的感濕特征量應在易測范圍以內 二 濕度傳感器的分類及工作原理 濕度傳感器種類很多 沒有統(tǒng)一分類標準 按探測功能來分 可分為絕對濕度型 相對濕度型和結露型 按傳感器的輸出信號來分 可分為電阻型 電容型和電抗型 電阻型最多 電抗型最少 按濕敏元件工作機理來分 又分為水分子親和力型和非水分子親和力型兩大類 其中水分子親和力型應用更廣泛 按材料來分 可分為陶瓷型 有機高分子型 半導體型和電解質型等 下面按材料分類分別加以介紹 1 半導體陶瓷濕度傳感器 陶瓷濕度傳感器具有很多優(yōu)點 主要如下 測濕范圍寬 基本上可實現(xiàn)全濕范圍內的濕度測量 工作溫度高 常溫濕度傳感器的工作溫度在150 以下 而高溫濕度傳感器的工作溫度可達800 響應時間短 多孔陶瓷的表面積大 易于吸濕和脫濕 濕滯小 抗沾污 可高溫清洗和靈敏度高 穩(wěn)定性好等 半導體陶瓷濕度傳感器按其制作工藝不同可分為 燒結型 涂覆膜型 厚膜型 薄膜型和MOS型 陶瓷濕度傳感器較成熟的產品有MgCr2O4 TiO2 鉻酸鎂 二氧化鈦 系 ZnO Cr2O3 氧化鋅 三氧化二鉻 系 ZrO2 二氧化鋯 系 Al2O3 三氧化鋁 系 TiO2 V2O5 二氧化鈦 五氧化二釩 系和Fe3O4 四氧化三鐵 系等 它們的感濕特征量大多數(shù)為電阻 除Fe3O4系外 都為負特性濕敏傳感器 即隨著環(huán)境濕度的增加電阻值降低 下面介紹其典型品種 半導體陶瓷濕度傳感器 1 MgCr2O4 TiO2系濕度傳感器MgCr2O4 TiO2系濕度傳感器為燒結型 其結構如圖3 4所示 圖3 4MgCr2O4 TiO2系濕度傳感器結構 制作方法 以MgCr2O4為基礎材料 加入適量的TiO2 在1300 左右燒結而成 然后切割成所需薄片 在MgCr2O4 TiO2陶瓷薄片兩面涂覆氧化釕 RuO2 多孔電極 并于800 下燒結 制成感濕體 電極與引出線燒結在一起 引線為Pt Ir 鉑 銥 絲 在感濕體外設置由鎳鉻絲燒制而成的加熱清洗線圈 此線圈的作用主要是通過加熱排除附著在感濕片上的有害物質 如水分 油污 有機物和灰塵等 以恢復對水汽的吸附能力 常用450 每分鐘的條件對陶瓷表面進行熱清洗 MgCr2O4 TiO2濕度傳感器的感濕特性曲線如圖3 5所示 該濕度傳感器的特點是體積小 感濕靈敏度適中 電阻率低 阻值隨相對濕度的變化特性好 測量范圍寬 可測量0 100 RH 響應速度快 響應時間可小至幾秒 圖3 5MgCr2O4 TiO2濕度傳感器的感濕特性曲線 2 硅MOS型Al2O3濕度傳感器 Al2O3濕度傳感器根據(jù)濕敏元件制作方法不同 可分為多孔Al2O3濕度傳感器 涂覆膜狀Al2O3濕度傳感器和MOS型濕度傳感器 下面介紹硅MOS型濕度傳感器 圖3 6硅MOS型Al2O3濕度傳感器的結構 MOS型濕度傳感器具有響應速度快 化學穩(wěn)定性好及耐高低溫沖擊的性能 2 高分子濕度傳感器 高分子濕度傳感器包括高分子電解質薄膜濕度傳感器 高分子電阻式濕度傳感器 高分子電容式濕度傳感器 結露傳感器和石英振動式傳感器等 下面分別加以介紹 1 高分子電阻式濕度傳感器這種傳感器的濕敏層為可導電的高分子 強電解質 具有極強的吸水性 水吸附在有極性基的高分子膜上 在低濕下 因吸附量少 不能產生電離子 所以電阻值較高 當相對濕度增加時 吸附量也增大 高分子電解質吸水后電離 正負離子對主要起到載流子作用 使高分子濕度傳感器的電阻下降 吸濕量不同 高分子介質的阻值也不同 根據(jù)阻值變化可測量相對濕度 高分子濕度傳感器外形圖 2 高分子電容式濕度傳感器圖3 7為高分子薄膜電介質電容式濕度傳感器的結構 它是在潔凈的玻璃基片上 蒸鍍一層極薄 50nm 的梳狀金質 作為下部電極 然后在其上薄薄地涂上一層高分子聚合物 1nm 干燥后 再在其上蒸鍍一層多孔透水的金質作為上部電極 兩極間形成電容 最后上下電極焊接引線 就制成了電容式高分子薄膜濕度傳感器 圖3 7高分子薄膜電介質電容式濕度傳感器的結構 當高分子聚合物介質吸濕后 元件的介電常數(shù)隨環(huán)境相對濕度的變化而變化 從而引起電容量的變化 由于高分子膜可以做得很薄 所以元件能迅速吸濕和脫濕 故該類傳感器有滯后小和響應速度快等特點 3 結露傳感器結露傳感器是一種特殊的濕度傳感器 它與一般的濕度傳感器不同之處在于它對低濕不敏感 僅對高濕敏感 感濕特征量具有開關式變化特性 結露傳感器分為電阻型和電容型 目前廣泛應用的是電阻型 結露傳感器外形圖 電阻型結露傳感器是在陶瓷基片上制成梳狀電極 在其上涂一層電阻式感濕膜 感濕膜采用摻入碳粉的有機高分子材料 在高濕下 電阻膜吸濕后膨脹 體積增加 碳粉間距變大 引起電阻突變 而低濕時 電阻因電阻膜收縮而變小 其特性曲線如圖3 8所示 在75 80 RH以下時 很平坦 而超過75 80 RH陡升 圖3 8結露傳感器的感濕特性 結露傳感器的特點 響應時間短 體積較小 對高濕快速敏感 它的吸濕作用不在濕敏膜的表面 而在其內部 這就使它的特性不受灰塵和其他氣體對其表面污染的影響 因而長期穩(wěn)定性好 可靠性高 且不需加熱解毒 能在直流電壓下工作 結露傳感器一般不用于測濕 而作為提供開關信號的結露信號器 用于自動控制或報警 主要用于磁帶錄像機 照相機和高級轎車玻璃的結露檢測及除露控制 4 石英振動式濕敏傳感器該類傳感器是在石英振子的電極表面涂覆高分子材料感濕膜 當膜吸濕時 由于膜的重量變化而使石英振子共振頻率變化 從而檢測出環(huán)境濕度 傳感器在0 50 時 濕度檢測范圍為0 100 RH 誤差 5 RH 石英振動式濕敏傳感器還能檢測露點 當石英振子表面結露時 振子的共振頻率會發(fā)生變化 同時共振阻抗增加 3 含水量檢測 通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為 濕度 將固體物質中的水分含量稱為 含水量 即固體物質中所含水分的質量與總質量之比的百分數(shù) 1 稱重法測出被測物質烘干前后的重量GH和GD 含水量的百分數(shù)為 3 4 這種方法很簡單 但烘干需要時間 檢測的實時性差 而且有些產品不能采用烘干法 2 電導法固體物質吸收水分后電阻變小 用測定電阻率或電導率的方法便可判斷含水量 3 電容法水的介電常數(shù)遠大于一般干燥固體物質 因此用電容法測物質的介電常數(shù)從而測出含水量是相當靈敏的 造紙廠的紙張含水量可用電容法測量 4 紅外吸收法水分對波長為1 94um的紅外線吸收較強 而對波長為1 81um紅外線幾乎不吸收 由上述兩種波長的濾光片對紅外光進行輪流切換 根據(jù)被測物對這兩種波長的能量吸收的比值便可判斷含水量 5 微波吸收法水分對波長為1 36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象 而植物纖維對此波段的吸收僅為水的幾十分之一 利用這一原理可制成測木材 煙草 糧食和紙張等物質中含水量的儀表 微波法要注意被測物料的密度和溫度對檢測結果的影響 這種方法的設備稍為復雜一些 階段小結濕度信息由濕度傳感器轉變?yōu)殡娦盘?通過濕敏元件的電量信號 電阻 電容等 隨環(huán)境濕度變化而變化的特性來檢測 濕度傳感器的分類方法繁多 種類各不相同 感濕機理千差萬別 濕度較難檢測 原因在于濕度信息的傳遞較復雜 濕度信息必須靠其信息物質 水對濕敏元件直接接觸來完成 因此 濕敏元件不能密封 隔離 必須直接暴露于待測的環(huán)境中 而水在自然環(huán)境中容易發(fā)生三態(tài)變化 當其液化或結冰時 往往使?jié)衩羝骷母叻肿硬牧匣螂娊赓|材料溶解 腐蝕或老化 給測量帶來不利 濕度傳感器目前最主要的技術性難點就是長期穩(wěn)定性差及互換性差 課題二環(huán)境濕度控制 任務目標 熟悉環(huán)境濕度控制的常用方法 一 環(huán)境濕度控制的方法 空氣相對濕度為45 60 時人體感覺最為舒適 也不容易引起疾病 當空氣濕度高于65 或低于38 時 微生物繁殖滋生最快 當相對濕度在45 55 時 病菌的死亡率較高 為了使環(huán)境濕度滿足要求 就要采用一定的控制方法來改變濕度 如果濕度過高 則要進行除濕 反之 如果濕度過低 則要進行加濕 1 除濕技術空氣除濕是一門涉及多個學科的綜合性技術 目前已被廣泛應用于儀器儀表 生物 環(huán)保 紡織 冶金 化工 石化 原子能 航空 航天等領域 常用的空氣除濕技術主要有冷卻除濕 吸附除濕和吸收除濕等 1 冷卻除濕冷卻除濕的原理是濕空氣溫度降低到露點溫度以下時會析出水汽 在實現(xiàn)時 冷卻除濕要使用制冷式冷源 先通過降低蒸發(fā)器表面溫度使空氣溫度降到露點溫度以下 從而析出水汽 降低空氣的含濕量 再利用部分或全部冷凝熱加熱冷卻后的空氣 從而降低空氣的相對濕度 達到除濕目的 凡通過這種方式將密封空間內空氣中的水分排出以降低濕度的除濕方式均屬冷卻除濕 制冷除濕機典型結構 圖3 13一般制冷除濕機結構 蒸發(fā)器 制冷劑在其中沸騰 吸收被冷卻介質的熱量后 由液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài) 壓縮機 消耗一定的外界功后 把蒸發(fā)器中的氣態(tài)制冷劑吸入 并壓縮到冷凝壓力后排入冷凝器中 冷凝器 再熱器 氣態(tài)制冷劑在冷凝器中將熱量傳遞給冷卻介質 空氣或常溫水 后 冷凝成液體 膨脹閥 節(jié)流閥 將冷凝后的高壓液態(tài)制冷劑通過其節(jié)流作用 降低到蒸發(fā)壓力后 送入蒸發(fā)器中 制冷系統(tǒng)工作流程為 壓縮機將蒸發(fā)器所產生的低壓 低溫制冷劑蒸氣吸入汽缸內 經壓縮壓力升高 溫度也升高 到稍大于冷凝器內的壓力時 將氣缸內的高壓制冷劑蒸氣排到冷凝器中 所以壓縮機起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣的作用 在冷凝器內高壓高溫的制冷劑蒸氣與溫度較低的空氣 或常溫水 進行熱交換而冷凝為液態(tài)制冷劑 液態(tài)制冷劑再經過膨脹閥降壓 降溫 后進入蒸發(fā)器 在蒸發(fā)器內吸收被冷卻物體的熱量后而再次汽化 這樣 被冷卻物體便得到冷卻 而制冷劑蒸氣被壓縮機吸走 因此 制冷劑在系統(tǒng)中經過壓縮 冷凝 膨脹 蒸發(fā)這樣四個過程 完成一個循環(huán) 送風系統(tǒng)工作流程為 濕空氣被吸入后 在蒸發(fā)器被冷卻到露點溫度以下 水汽凝結成水被析出 含濕量下降 然后進入冷凝器 吸收制冷劑的熱量而升溫 相對濕度降低 由送風機送入房間 2 吸附除濕吸附除濕的原理是某些固體 除濕劑 或稱干燥劑 對水蒸汽分子具有強烈的吸附作用 當空氣與除濕劑接觸時 空氣中的水蒸汽被吸附而解脫 從而達到除濕目的 常用的固體除濕劑有硅膠 氧化鋁 分子篩 氯化鈣等 使用后脫出吸附的水分可再次使用 吸附式除濕裝置主要有兩類 一類是固定床式除濕器 另一類是旋轉式除濕器 最原始的固定床除濕是在密封的容器內放置除濕劑進行除濕 后來將固體吸附劑作為固定層填充于塔 筒 內進行空氣除濕 該除濕方式為間歇方式 需要定期進行脫附處理 操作與控制都不方便 旋轉式除濕器是指轉輪除濕機 它是利用一種特制的吸濕紙來吸收空氣中的水分 吸濕紙以玻璃纖維濾紙為載體將除濕劑和保護加強劑等液體均勻吸附在濾紙上烘干而成 它固定在蜂窩狀轉輪上 轉輪兩側由特制的密封裝置分成兩個區(qū)域 處理區(qū)域及再生區(qū)域 當需要除濕的潮濕空氣通過轉輪的處理區(qū)域時 濕空氣的水蒸汽被轉輪的吸濕紙所吸附 干燥空氣被處理風機送至需要處理的空間 而不斷緩慢轉動的轉輪載著趨于飽和的水蒸汽進入再生區(qū)域 再生區(qū)內反向吹入的高溫空氣使得轉輪中吸附的水分被脫附 被再生風機排出室外 從而使轉輪恢復了吸濕的能力而完成再生過程 轉輪不斷地轉動 上述的除濕及再生周而復始地進行 從而保證除濕機持續(xù)穩(wěn)定的除濕狀態(tài) 3 吸收除濕吸收除濕的依據(jù)是某些溶液 液體干燥劑 能夠吸收空氣中的水分 液體干燥劑具有很強的吸濕能力和容濕能力 當其表面蒸汽壓比周圍環(huán)境濕空氣蒸汽壓低時 具有吸濕能力 吸收空氣中的水分變成稀溶液 同時濕空氣的含濕量下降 液體干燥劑在吸濕的過程中會放出熱量 此熱量是水分由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時釋放出來的熱量 當空氣在除濕器內與噴灑的吸收液接觸時 空氣中的水分被溶液吸收而除濕 吸收水分后的溶液由溶液循環(huán)泵送到再生器 和由加熱盤管加熱的再生空氣接觸 溶液中的水分蒸發(fā)并伴隨再生空氣排出室外 再生器內濃度提高的溶液再由循環(huán)泵送入除濕器 2 加濕技術 以