2023年小家电原理使用与维修教案.docx

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1、2023年小家电原理使用与维修教案 第一节 常用电热材料 一、电热基础知识 电热器具是利用电能转化成热能的原理而制成各种器具的统称。在家用电器中，电热器具占有2535的比例，如生活中常用的电熨斗、电饭锅、电烤箱、电热毯、远红外线辐射取暖器、电磁灶、微波炉等电热器具。 近几年，随着电子技术的发展及微电脑的广泛应用，电热器具进入了一个新的发展阶段，性能也越来越完善。利用电热比利用其它热源有下述优点： 热效率高，约为5095（煤的热效率为1220，液体燃料为2040，气体燃料为5060）。 控温方便，精确度高，容易实现自动控制。 清洁卫生，无烟灰，不产生有害气体，不污染环境。 使用方便，与其它热源相

2、比，无明火，且有安全保护装置，更加安全可靠。一旦发生故障，因其结构简单，也易于维修。 热惯性小。 电热器具的类型： 家用电热器具按其用途大体可分为：厨房器具（如电饭锅、微波炉、电热消毒柜、电热水壶等）、取暖用具（电热褥、电取暖器、电热饼等）、1 整容美发用具（电吹风、电熨斗等）、其它器具（如烘干机、除湿器等） 按加热方式的不同，电热器具大体可分为电阻式加热器、远红外式电热器具、电磁感应式加热器具及微波式电热器具。 1、电阻式电热器具 电阻加热是电热器具的主要加热形式。它是利用电流的热效应进行加热的。对被加热的物体来说，可分为直接加热和间接加热两种。 2、远红外式电热器具 远红外式电热器具是在电

3、阻式加热器具的表面涂有远红外辐射涂料，通电加热时辐射出红外线来，从而达到加热的目的。这类电热器具的特点是热效率高。 常见的远红外式电热器具有红外辐射取暖器、消毒碗柜等，加热器是由特制的、能辐射远红外线的热管制成的。该热管的材料一般为搪瓷材料，经表面处理使其黑化，或在外表面上涂有远红外线涂料。当电流通过这样的电热管时，以波长31000m辐射远红外线，被烤箱内食品所吸收，继而食品内部分子发生振动，产生热能，达到加热的目的。这种烤箱的热效率比电阻丝电烤箱高2030。 3、电磁感应加热器具 电磁感应加热器具是利用电磁感应来加热的。铁磁材料放在交变磁场中，就能产生涡流，涡流在导体内部会克服内阻作回旋流动

4、产生热量。利 2 用这种方式加热的典型产品是电磁灶。 在电磁灶中，因工频电磁灶（5060Hz）易产生振动和噪音，所有家用电磁灶一般都采用1500Hz以上的高频电磁灶。 4、微波式电热器具 微波是波长1mm1m的电磁波，频率相应为300MHz300000 MHz。食物是吸收微波的一种介质，在微波辐射之下，食物中水分子随微波频率的变化，在1s内作二十几亿次（2.450GHz）的摆动，食物中水分子之间的摩擦十分剧烈，从而产生足够的热量。微波炉就是微波加热的典型器具。 第二节 电阻式电热元件 开启式螺旋形电热元件 这类元件是电热丝绕制成螺旋状后嵌在绝缘或绝热材料制成的盘面凹槽里或专用支架上，电热丝直接

5、裸露在空气中，发出的热量主要以辐射和对流的方式传给欲加热物件。 这种发热元件具有加热迅速、结构简单、价格便宜、维修方便等优点。缺点是：因其电阻丝裸露，电热丝本身带电，安全性差，稍有不慎而触及时，往往造成电击事故。它的工作温度约为800850，碰到易燃物体易燃烧；电阻丝裸露在空气中易氧化，使用寿命短。 罩盖式电热元件图 该类元件是将电热丝放置在罩盖中，常见的形式如图02-07所示的两种，其中（a）多用于电灶中，而（b）则多用于普通型电熨斗。 常见的罩盖式电热元件 封闭式管状电热元件 这类元件是将电热丝置于绝缘导热材料的封闭系统内，下图是常见的外形不同的几种密闭式管状电热元件（简称电热管）。 特殊

6、电阻式电热元件 第三节 远红外辐射器 远红外电热元件 远红外电热元件有管状远红外元件、板状远红外元件、红外线灯等。管状远红外电热元件又分为金属管状远红外元件和石英管状远红外元件两种。图02-09（a）是石英管状远红外元件结构示意图 。红外线灯的结构见图02-09（b）。 图02-09 远红外电热元件结构图 PTC电热元件 PTC(Positive Temperature Coefficient)元件是一种具有正温度系数的热敏电阻。PTC电热元件的优越特性使其在电热水器、电吹风机、电暖器等电热器具中广泛应用。PTC电热元件的电阻率与温度的特性曲线如图02-010所示。从图中可以看出，当温度在TM

7、以下时，呈现普通半导体特性，也就是当半导体陶瓷温度升高时电阻下降，为负温度系数；当温度升到TC(居里点)与TN之间这一段范围内时，其电阻随着温度升高而急剧上升几个数量级(103105倍)，呈现出强烈的正温度系数特性。这种阻值异常变化的现象称为PTC特性。 图02-10 PTC电热元件的电阻率与温度的特性曲线 通过对PTC元件的电阻率与温度特性分析可以看出，其受电源电压波动的影响很小。使用不同电源电压时，只要电压能为PTC元件提供足够的发热 5 量，使元件达到居里点的温度，就不会对元件的工作温度产生影响。而且这种特殊半导体元件是采用陶瓷工艺制成的，电热元件不氧化，使用寿命长；利用陶瓷技术可制成不

8、同形状及各种外形尺寸，结构灵活；发热量可随环境温度自动调节。当PTC元件结构等确定以后，散热系数和最高工作温度便确定了。如周围温度升高，发热量会减小；反之发热量会相应增大。PTC电热元件具有很多优点，因此得到了迅速发展，并正在取代传统的电热元件。 在实际应用中，对不同功能的PTC元件的居里温度点有不同的要求。在元件的制作过程中，可通过制作工艺和添加不同材料来改变其居里温度点。例如：在钛酸钡中掺入锶(Sr）、锡(Sn)，可使居里点朝低温侧移动；掺入铅(Pb)则使居里点朝高温侧移动。目前，实际产品一般在30265范围内调节。 6 第四节 电力电子器件 电力晶体管 GTR是一种电流控制的双极双结大功

9、率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。电力晶体管的结构 电力晶体管(Giant Tran

10、sistor)简称GTR又称BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。1 电力晶体管工作原理 在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(Ib0)时大电流导通；反偏(Ib 7 电力晶体管特点 l 输出电压 可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列。 2 载波频率 由于电力晶体管的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约

11、为1.21.5kHz左右。 3 电流波形 因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪音较强。 4 输出转矩 因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。 电力晶体管的基本特性 (1)静态特性 共发射极接法时可分为三个工作区： 截止区。在截止区内，iB0，uBE0，uBC 放大区。iB 0，uBE0，uBC 8 饱和区。iB Ics/，uBE0，uBC0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。 结

12、论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。 (2)动态特性 GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。 电力晶体管的主要参数 (1)最高工作电压

13、9 (2)集电极最大允许电流ICM (3)集电极最大允许耗散功率PCM (4)最高工作结温TJM 二次击穿和安全工作区 (1)二次击穿 二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿。防止二次击穿的办法是：应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得

14、多。必须有电压电流缓冲保护措施。1 (2)安全工作区 以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB (二次击穿电压)与ISB (二次击穿电流)组成的PSB (二次击穿功率)是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。 第四节 电力电子器件 晶闸管 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流

15、器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中 晶闸管导通条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。 晶闸管（Thyristor）是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且它的其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。1957年，美国通用电器公司开发出世界上

16、第一个晶闸管产品，并于1958年使其商业化。1 结构 它是由一个P-N-P-N四层 (4 layers) 半导体构成的，中间形成了三个 11 PN结。 按关断、导通及控制 晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。 按引脚和极性 晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。 按封装形式 晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等

17、多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。 按电流容量分类 晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用陶瓷封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。 按关断速度 晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。（备 12 注：高频不能等同于快速晶闸管） 第四节 电力电子器件 晶闸管工作原理 晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管

18、的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。 半控型晶闸管的工作条件： 1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。 2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。 3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。 4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。 全控型晶闸管的工作条件： 1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶

19、闸管都处于反向阻断状态。 2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或电流）的情 14 况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。 3.一旦晶闸管开始导通，它就被钳住在导通状态，而此时门极电流可以取消。晶闸管不能被门极关断，像一个二极管一样导通，直到电流降至零和有反向偏置电压作用在晶闸管上时，它才会截止。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻将晶闸管再次触发导通。2 4工作过程 晶闸管是四层三端器件，它有J 1、J 2、J3三个PN结图1，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管图2 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管

20、导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。 设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0, 晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和： Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0 15 若门极电流为Ig，则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig 从而可以

21、得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2）（11）式 硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（11）中，Ig=0,(a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流IaIc0 晶闸管处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig，由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2，产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1，产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。

22、从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）1时，式（11）中的分母1-（a1+a2）0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。 式（11）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）0，即使此时门极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。 在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2） 16 0时，晶闸管恢复阻断状态。 可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyr

23、istor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。 17 第五节 继电器与时间控制器 继电器 继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 因为继电器是由线圈和触点组两部分组成的，所以继电器在电路图中的图形符号也包括两部分： 一个长方框表示线圈；一组触点符号表

24、示触点组合。当触点不多电路比较简单时，往往把触点组直接画在线圈框的一侧，这种画法叫集中表示法。 电符号和触点形式： 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式： 1、动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼

25、音字头“H”表示。 2、动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。 3、转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。 2主要作用 继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压

26、、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： 19 1）扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。 2）放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。 3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效

27、果。 4）自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。 3主要分类 1按继电器的工作原理或结构特征分类 1）电磁继电器：利用输入电路内电路在电磁铁铁芯 与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。 2）固体继电器：指电子元件履行其功能而无机械运动构件的，输入和输出隔离的一种继电器。 3）温度继电器：当外界温度达到给定值时而动作的继电器。 4）舌簧继电器：利用密封在管内，具有触电簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧动作来开，闭或转换线路的继电器 5）时间继电器：当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定时间才闭合或断开其被控线路继电器。

28、20 6）高频继电器：用于切换高频，射频线路而具有最小损耗的继电器。 7）极化继电器：有极化磁场与控制电流通过控制线圈所产生的磁场综合作用而动作的继电器。继电器的动作方向取决于控制线圈中流过的的电流方向。 8）其他类型的继电器：如光继电器，声继电器，热继电器，仪表式继电器，霍尔效应继电器，差动继电器等。 21 第五节 继电器与时间控制器 时间控制器 时间控制器是一种能够根据设定的时间来控制电路的接通或者断开，也就是控制电器的开关装置。不少时间控制器还具有可编程和循环功能，常用来控制路灯，广告牌等外设电器或家用电器 时间控制器的特点 1.开、关时间任意可调，控制误差 3.每天可做十次开、关动作，

29、开、关时间一周内可任意编程 4.可自动，也可手动控制，体积小巧，安装方便，设有自动保护装置 5.内消耗功率低1 时间控制器的应用 时间控制器可根据用户设定的时间，自动打开和关闭各种用电设备的电源，广泛应用于路灯、霓虹灯、灯箱招牌、空调机、开水器、宿舍供电、生产设备及广播电视设备等的定时自动控制。 22 第六节 家电常用传感器 温度传感器 温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。 接触式 接触式温度

30、传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。 温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。 一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽

31、压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定 23 性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6300K范围内的温度。 非接触式 它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。 最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。 辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测

32、温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数

33、。利用有效发射系数通过仪表对实测 24 温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中为材料表面发射率，为反射镜的反射率。 至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。 非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800以上的高温，

34、主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温 逐渐由可见光向红外线扩展，700以下直至常温都已采用，且分辨率很高。 25 第六节 家电常用传感器 温度传感器工作原理 金属膨胀原理设计的传感器 金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸，因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。 双金属片式传感器 双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成，随着温度变化，材料A比另外一种金属膨胀程度要高，引起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号。 双金属杆和金属管传感器 随着温度升高，金属管（材料A）长度增加，而不膨胀钢杆（金属B）的长度并不增加，这样由于位置的改变，金属管的线性膨胀就可

35、以进行传递。反过来，这种线性膨胀可以转换成一个输出信号。 液体和气体的变形曲线设计的传感器 在温度变化时，液体和气体同样会相应产生体积的变化。 多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化，这样产生位置的变化输出（电位计、感应偏差、挡流板等等）。 电阻传感器 金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。 26 对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。 电阻共有两种变化类型 正温度系数 温度升高 = 阻值增加 温度降低 = 阻值减少 负温度系数 温度升高 = 阻值减少 温度降低 = 阻值增加 热电偶传感器 热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接

36、在一起。对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540微伏/之间。 27 热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移

37、的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。 28 第六节 家电常用传感器 气体传感器 气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分 特性 气体传感器是化学传感器的一大门类。从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤

38、其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。接下来了解一下气体传感器的主要特性： 1、稳定性 稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。 2、灵敏度 29 灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择

39、一种敏感技术，它对目标气体的阀限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的检测要有足够的灵敏性。 3、选择性 选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。 4、抗腐蚀性 抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数1020倍。在返回正常工作条件

40、下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。 气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。 30 第六节 家电常用传感器 光传感器 现代电测技术日趋成熟，由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。然而电测法容易受到干扰，在交流测量时，频率响应不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求，在激光技术迅速发展的今天，已经能够解决上述的问题。 磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。激光，是本世纪60年代初迅速发展起来的又一新技术，它的出现标志着人们掌握和利用

41、光波进入了一个新的阶段。由于以往普通光源单色度低，故很多重要的应用受到限制，而激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。 比如说用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。在实测地点，不必电源供电，这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。 磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光

42、通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。也就是可以通过旋转的角度来 31 测量外加的磁场。在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。 环境光传感器 环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度，

43、实现自动调节亮度。 环境光传感器需要在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜。 红外光传感器 该红外光传感器使用充电的热电堆与溴碘化铊（KRS-5）窗口来感应580到40000nm的波长。该传感器使得学生可以自己测量一系列现象，包括自己手掌的红外辐射。 太阳光传感器 1.太阳传感器。它可识别水平，垂直各360度。太阳所在的位置，识别，阴天，多云天，半阴天，晴天及晚上白天。跟踪方位识别。 32 2.识别电路处理和侍服驱动。采用数字芯片完成以上各信息的处理。可侍服各种普通电机，步进电机。整机功耗电流3mA，芯片工作电压5V。 国际先进的太阳跟踪设备，采用的是电脑数据理论，需

44、要地球经纬度地区的的数据和设定。 电路原理、设备技术复杂。智能太阳跟踪仪采用识别理论技术，电路简单元件少，没有经纬度和数据信息的理论。一年四季太阳运行的路线不用考虑。太阳从哪个方向升起，到哪个方向落下，它都会准确无误的识别太阳升起和落下的位置。如果把他安放在行走的车或船上，不论向何方行驶，跟踪仪都能正对太阳。 紫外光传感器 该紫外光传感器使用一个过滤片测量紫外光波段（315nm-400nm）。除去滤光片，传感器可同时感应可见光。传感器包括紫外光滤光片，一个瞄准仪，和传感器手柄。 33 第六节 家电常用传感器 简单原理 自60年代末开始，RC Lecraw提出有关磁光效应的研究报告后，引起大家的

45、重视。日本，苏联等国家均开展了研究，国内也有学者进行探索。磁光效应的传感器具有优良的电绝缘性能和抗干扰、频响宽、响应快、安全防爆等特性，因此对一些特殊场合电磁参数的测量，有独特的功效，尤其在电力系统中高压大电流的测量方面、更显示它潜在的优势。同时通过开发处理系统的软件和硬件，也可以实现电焊机和机器人控制系统的自动实时测量。在磁光效应传感器的使用中，最重要的是选择磁光介质和激光器，不同的器件在灵敏度、工作范围方面都有不同的能力。随着近几十年来的高性能激光器和新型的磁光介质的出现，磁光效应传感器的性能越来越强，应用也越来越广泛。 磁光效应传感器做为一种特定用途的传感器，能够在特定的环境中发挥自己的功能，也是一种非常重要的工业传感器。在电子防盗探测器领域，被动红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。但随着入侵者的反侦测技术手段的提高，从而对探头的要求也越来越高，普通被动红外探头的局限性也越来越明显，这样，新一代的被动红外探头也应运而生。因为加拿大的PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD的枫叶牌探头采用了很多最新技术，使用也较为广泛。所以，下面就结合该 34 产品的技术特性来阐述被动红外探头的最新技术。 1、反射式