蔬菜大棚温湿控制器设计（毕业设计完整版）(2)

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图3 几种不同类型的热敏电阻器的阻温特性曲线

按阻温特性分类有：负温度系数热敏电阻器(NTC)，图4—1中曲线2；开关型正温度热敏电阻器(PTC)，图3中曲线4；缓变型正温度系数热敏电阻器(PTC)，图3中曲线5；临界负温度系数热敏电阻，图3中曲线3；铂电阻器限温度曲线如图3中曲线1。

1、热敏电阻器的电阻—温度特性

热敏电阻的阻温特性是指实际电阻值与电阻体温之间的依赖关系，这是热敏电阻 图3 几种不同类型的热敏电阻器的基本特性之一,其阻温特性曲线见图3。PTC开关型正温度系数热敏电阻器的阻温特性曲线(图3曲线4)。室温至居里温度以下的一段温度范围内，表现出和一般半导体相同的NTC特性。从居里点开始，电阻值急剧上升到某一温

度附近达到最大值。

PTC热敏电阻器的居里温度TC以通过掺杂来控制。如在BaTio3中掺杂Pb，可使Tc向高温方向移动，在BaTio3中掺入Sr或Sn等元素后，可使TC向低温方向移动。可根据需要调整居里点TC。

热敏电阻器的实际阻值用RT来表示。是在一定环境温度下，采用引起阻值变化不超过0.1％的测量功率所测得的电阻值。实际电阻值又称为零功率电阻值，或称为不发热功率电阻值(冷电阻值)。实际电阻值的大小取决于电阻器的材料和几何形状。

热敏电阻器的实际阻值与其自身温度有如下的关系： NTC热敏电阻器 RT＝R∞eB/T (4—10) PTC热敏电阻器 RT＝R0eAT (4—11) 式中：RT一一温度T时的实际电阻值；

R∞、R0一与电阻几何形状和材料有关的常数

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B、A一一材料常数。

为了使用方便，通常取环境温度为25℃作为参考温度，则有: NTC热放电阻器：RT/R25＝exp[B(1／T—1／298)] PTC热敏电阻器：RT/R25＝expA(T—298)

由式(4--10)和式(4—11)式可以求出NTC、PTC热敏电阻器的温度系数。表示温度每变化l ℃，电阻器实际限值的相对变化，即：

NTC：aT=1/RT=dRT/Dt=-B/T2 (4—12) PTC: aT=A (4—13)

可见，在工作温度范围内，负温度系数热敏电阻器的aT随温度T的变化有很大的变化，并与材料常数B成正比。因此，通常在给出电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度，正温度系数热敏电阻的aT在数值上等常数A。缓变型正温度系数热敏电阻器的aT值在0.5％／℃一10%／℃之间．而开关型〔突变型〕正温度系数热敏电阻器的aT可达到60％／℃或更高。

材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特性的—个参数．又称为热灵敏度指标。在工作范围内，B值并不是一个严格的常数，随着温度的升高而略有增大。一般说来，B值大的电阻率也高。不同B值的材料有不同的用途，如普通负温度系数热敏电阻的材料常数B值在2000一5000 K之间。负温度系数热敏电阻器B值可按下式计算：

B=2.303[T1·T2/(T2-T1)]㏒10R1/R2 (4—14) 正温度系数的电阻器，其A值按下式计算： A=2.303[1/(T1-T2)]㏒10R1/R2 (4—15) 式中，R1相R2分别为热力学温度T1和T2时的电阻值。 2．热敏电阻器的热性能

(1)耗散常数H 耗散常数H定义为温度每增加一度所耗散的功率。它用来描述热敏电阻器工作时，电阻体与外界环境进行热交谈的一个物理量。耗散常数H与耗散功率P。温度改变量AT的关系为：

H=△P/△T （W/℃） (4—16)

H的大小与热敏电阻器的结构、所处环境的媒质种类、运动速度、压力和导热性能等有关，当环境温度改变时，H有变化。

(2)热容量和时间常数热敏电阻器具有一定的热容量C，因此它具有一定的热情性．也就是温度的改变需要一定的时间。当热敏电阻器被加热到了T2温度时，放到温度为T0的环境中，不加电功率，热敏电阻器开始降温，其温度T是时间t的函数，在△t

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时间内．热敏电阻器向环境耗散的热量可标示为：H（T-T0）△t，这部分热量是由热敏电阻器降温所提供的．其值为-C△T，于是就有：

-C△T=H（T-T0）△t 上式写成微分的形式为：

T-T0=-C/T·(dT/dt) (4—17) 取初始条件t＝0时，T＝T2，解方程(4—17)式得：

T-T0=(T2-T1)·e-tH/c=(T2-T1)e-t/ζ (4—18) 式中，ζ＝C/H 称为热敏电阻器的时间常数，单位为S。

时间常数?可定义为：在恒定的静态条件下，热敏电阻器在无功率状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定湿度突然改变时，电阻体的温度变化了这两个特定温度之差的63.2％所需的时间。通常将这两个特定温度选为85℃和25℃，或者100℃和0℃热敏电阻器用于测温和控温时，一般要求时间常数小。因而，热容量越小越好。

按定义ζ=C/H，当t=ζ时，（T-T0）/（T2-T0）=e-1=36.8%,则：

（T2-T）/（T2-T0）=63.2% （4—19）

式中：T2、T0为两个特定温度，T为测试温度。 3热敏电阻器的伏安特性

电压—电流行性表示在特定温度下，热敏电阻器两端的电压与通过电阻体的稳态电流之间的关系，即伏安特性。伏安特性与热敏电阻器的结构形状有关，还与其阻值、材料常数从所处的环境温度、介质种类等有关。

PTC热敏电阻器的伏安特性曲线如图4所示，当所加电压不太高时，PTC热敏电阻的温升不高，流过PTC热敏电阻的电流与电压成正比，服从欧姆定律。随着所加电压的增加，消耗功率增加，电阻体温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。当电压增到使电流达到IMAX最大时，如电压继续增加，由温升引起的电阻值增加图4

图4 PTC热敏电阻器的静态伏—安特性曲线

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图5 负温度系数热敏电阻器的静态伏—安特性曲线

超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线斜率由正变负。

NTC热敏电阻器的伏安特性曲线如图5所示。在开始段同PTC热敏电阻一样也服从欧姆定律。随电流增加，引起热敏电阻温升超过环境温度，则其阻值下降。耗散功率增加，相应的电压变化较为缓慢，出现非线性正阻区(ab段)。电流继续增加，其电压值增大到最大值Vmax时，若电流再增加，热敏电阻自身加热剧烈使电阻值减小的速度越过电流增加的速度，热敏电阻的电压降随电流增加而降低，形成cd段的负阻区。

4热敏电阻器的其他参数

(1)标称电阻值尺R25标称阻值是热敏电阻器在25℃℃时的电阻值，其值的大小由热敏电阻的材料与几何尺小决定。

(2)最高工作温度Tmax 在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许的温度，是热敏电阻器的最高工作温度，它的表达式为：

Tmax=T0+（PR/H） (4—20) 式中T0为环境温度；PR为环境温度时的额定功率。

(3)额定功率PR 热敏电阻在规定的技术条件下，长期连续工作所允许的耗散功率为额定功率，用PR表示。在此条件下，热敏电阻器自身温度不得超过Tmax。

3.2、湿度传感器的分类及工作原理

表示环境气氛中水蒸气含量的物理量为湿度。湿度的表示方法有两种，即绝对湿度和相对湿度（RH）。绝对湿度是指气氛中含水量的绝对值，相对湿度是指气氛中水蒸气压与同一温度下的饱和蒸汽压之比，用百分数来表示。湿度传感器或湿敏元件是指对相对湿度敏感的元件，它可以是湿敏电阻器，也可以是湿敏电容器或其他湿敏元件。

3.2.1、湿度传感器的分类

按感湿物理量来分类，湿度传感器可分为三大类，即湿敏电阻器、湿敏电容器和湿敏晶体管。

根据使用不同的材料制成的湿度电阻器又可分为：金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻

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器，例如：MgCr2O4系列、ZnO—Cr2O3系列；元素材料湿敏电阻器，例如：半导体Ge、Si 、Se和C元素；化合物湿敏电阻器，如：LiCl、CaSO4、及氟化物和碘化物等；高分子湿敏电阻器等。

湿敏电容器主要是多孔Al2O3材料作为介质制成。 湿敏晶体管又分为湿敏二极管和湿敏三级管。 3.2.2 湿敏电阻器工作原理及特性 1、金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器

（1）工作原理 多孔性的金属氧化物半导体陶瓷的多晶体，在晶体表面及晶粒间界处，很容易吸附水分子。由于水是一种强极性电介质，水分子的氢原子附近有很强的正电场，具有很大的电子亲和力。当水分子在半导体陶瓷表面附着时，将形成能级很深的附加表面受主态，而从半导体陶瓷表面俘获电子，而在陶瓷表面形成束缚态的负空间电荷，在近表面层中将相应地出现空穴积累，因而导致半导体陶瓷电阻率的降低。

另外，根据离子电导原理，结构不致密的半导体陶瓷晶粒有一定空隙，显多孔毛细管状。水分子可以通过这种细孔在各晶粒表面和晶粒之间吸附，由于吸附的水分子可离解除大量的导电离子，这些离子在水吸附层中起着电荷的输运作用。因此，虽环境湿度的增加，水分子在晶粒表面和间界大量的吸附，而引起电子电导和离子电导的加剧。半导体陶瓷而显示负感湿特性，即随着湿度的增加，材料的电阻率下降。

（2）氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器的主要品种及结构

金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器的典型产品有：MgCr2O4 —TiO2湿敏电阻器、ZnO—Cr2O3湿敏电阻器、ZnO—Li2O3—V2O5湿敏电阻器等。例如：ZnO—Li2O3—V2O5 湿敏电阻，是以ZnO为主要材料，在加入一价、二价、三价等其他金属氧化物烧制成陶瓷半导体材料，测量湿度范围为5%～100%RH，测量精度为2%，是一种较为理想的湿敏元件，并可做成小型化，结构简单。

2、元素材料湿敏电阻器

此类湿敏电阻器是元素半导体材料或元素材料制成的元件。碳湿敏电阻器是一种电阻—湿度特性为正的湿敏元件。用有机物聚丙烯塑料片或棒为基体，涂布一层含有导电性碳粒的有机胶状纤维构成。此种湿敏电阻器工艺简单，便于制造。利用有机材料吸潮后，体积膨胀，碳粒之间的距离增大，从而电阻值增大的原理。

元素半导体湿敏电阻器是利用在陶瓷或石英基片上蒸发等元素半导体薄膜而制成，其特性为电阻值随着湿度的增大而减小的负感湿特性，可以做成较高阻值(105～107)，有较好的测量精度，但工艺成品率降低，互换性差。

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