浅析在家用电器中应用的传感器

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1、48现 代家用电器的科技含量越来越高， 功能越来越完善，控制也越来越智能化。 在智能家用电器中， 需要对有关的物理量进行检测， 常用到相关的传感器。 下面对常用的几种传感器进行简单的介绍。1 温度传感器温度是家用电器检测中常见的物理量， 利用温度传感器可以将温度的变化转换为电信号， 以此对家用电器进行智能控制。家用电器常用的温度传感器主要有热敏电阻、 热电偶及晶体管热敏传感器等元件。1.1 热敏电阻热敏电阻主要包括正温度系数的热敏电阻 （ PTC ） 和负温度系数的热敏电阻 （ NTC ） 两种类型。 PTC 元件的电阻值随温度的升高而增大 ； NTC 元件的电阻值则随温度的升高而减小。 PT

2、CPTC 从居里温度点开始， 呈现正温度系数特性， 其电阻值随温度的上升而急剧增大 （可达几个数量级） , 但当电阻增大到一定值时， 其阻值随温度的变化缓慢变化， 使元件自身有一定恒温范围， 因此， PTC 具有温度自限能力。 居里温度点为 180 220 的 PTC ， 适用于美容美发、 电热吹风机、 衣物烘干机等家用电器 ； 250 260 的适用于电烙铁等电器 ； 80 120 的适用于安装在电动机壳体或电子设备中的功率管壳体 （或散热片） 上， 作为过热保护电路的温度传感器元件。PTC 具有工作温度稳定、 安全可靠、 不易氧化、 使用寿命长（属于永久性元件） 的特点。 PTC 能够随环

3、境温度的变化而自动进行温度补偿 ； 能够适应电源电压的波动 （电源电压的波动不影响其工作温度） ； 温度响应速度快， 通常只要传热和散热媒介选择适当， 通电几秒钟即可达到额定温度。 因此， PTC 在家用电器中得到广泛的应用。 表 1 为 PTC 的主要性能与参数。 NTCNTC 分为低温型 （ -60 300 ）、 中温型 （ 300 600） 和高温型 （ 600 ） 三种。 NTC 具有灵敏度高、 温度响应速度快、 价格便宜、 使用寿命长 （属于永久性元件） 等特点。另外， 还有一种具有开关特性的 NTC ， 又称为负温临界热敏电阻 （ CTR ） （如 V 2 O 3 ）， 它有一个突

4、变的温度点 ， 并且， 这个温度点可以通过掺入的锗 （ Ge ）、 镍 （ Ni ）、 钨 （ W ） 等金属元素浅析在家用电器中应用的 传感器广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心电气安全实验室 黄琳在一定范围内调整。 表 2 为 NTC 的主要性能 与 参数。1.2 热电偶塞贝克于 1821 年发现， 对两种不同导体的结点加热时会产生热电势。 热电偶就是利用这种塞贝克效应制成的热敏传感器。常用的热电偶有铂铑 - 铂热电偶、 镍铬 - 镍铝热电偶、 镍铬 - 镍硅热电偶和铜 - 康铜热电偶。 铂铑 - 铂热电偶， 一般用于高温检测， 在 0 1800 范围内误差为 1.5% ； 镍铬 - 镍铝

5、热电偶 （镍铬 - 镍硅热电偶） 在 0 1000 范围内误差 1% ； 铜 - 康铜热电偶适用于较低温度 （ 0 400 ） 范围， 尤其在 0 100 范围内， 具有较好的稳定性， 其误差 0.1 。1.3 晶体管热敏传感器该传感器是利用二极管 PN 结的正向电流与温度的关系， 得到外加电压与温度的关系。 在实际应用中， 一般是利用晶体管发射结的热敏效应 （通常是将晶体管的基极与集电极短路） 检测温度， 其检测温度范围为 -50 200 。1.4 集成热敏传感器直接给出绝对温度的理想输出电压信号是该传感器最大的特点。 在家电产品上使用的温度范围主要集中在 -50 150 ，如 AD590

6、、 AN6701 、 LM35 （ 35A 、 35CA 、 35C 、 35D ）、 LM3911 、 PC616C 、 PC3911C 和 REF-02 型等。2 气敏传感器气敏传感器是用来检测气体的类别、 浓度和成分的传感器。现代家用电器多采用二氧化锡 （ SnO 2 ） 半导体气敏传感器， 其中气敏元件主要有烧结型、 薄膜型和厚膜型三种。 烧结型气敏传感器制作工艺简单、 使用寿命长， 但机械强度不高， 电极材料贵重， 电性能一致性较差， 使应用受到一定的限制 ； 薄膜型表 1 PTC 的主要性能与参数型号 标称电阻值 开关温度 额定工作电压 VMZ21 4.7 135 15MZ22 2

7、00 500 70 80 220MZ23(1)/ (2) 24 150/15 35 90 1110/115 125 60 220MZ24(1)/ (2) 60 75/35 60 120 220表 2 NTC 的主要性能与参数型号 标称电阻值 开关温度 额定工作电压 VMF511 100 200 1500 2000 0 200MF513 10 4300 （ 1 5 ） 10 55MF514 10 （ 1 2 ） 3700 （ 1 1 ） 10 70SWF13 820 1500 3900 4700 55 200研究 探讨 Research/Discussion49配套件专题 气敏传感器采用蒸发或溅

8、射工艺， 在石英基片上形成氧化物半导体薄膜。 实验证明， SnO 2 半导体薄膜的气敏性好 ； 厚膜型气敏传感器离散性小， 机械强度高， 适宜于批量生产。吸油烟机等产品上常用 QM 型半导体气敏传感器， 它采用旁热式结构， 陶瓷管内装有高阻抗加热丝， 管外涂有梳状金属电极， 金属电极之外涂有 SnO 2 材料， 使 SnO 2 烧结体位于两电极之间。 图 1 为气敏控制电路框图， 气敏传感器工作时， 加热器通电加热， 若无被检气体侵入时， 气敏元件的阻值基本不变。当气敏元件表面产生吸附作用， 其阻值将随气体浓度的变化而变化。 当被检气体浓度增大到一定值时， 气敏元件的阻值将随之下降到某一值，

9、使电压比较器的状态发生变化， 输出控制信号经电流放大后， 控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源，使吸排油烟机工作。故光敏晶体管也可作为光电开关元件使用。 由于温度的变化对光敏晶体管的光生电流影响甚微， 但对其暗电流的影响很大。 所以在实用电路中， 一般都对光敏晶体管的暗电流进行温度补偿， 否则会产生较大的输出误差。4 超声波传感器超声波是指频率为 20kHz 以上直线传播的声波信号， 具有波长短、 绕射现象小、 反射能力强 （方向性好）、 能定向传播、 在空气中传播速度较慢 （ 340m/s 左右） 以及在传播过程中的衰减很小等特点。 因此， 超声波传感器在电脑程控电风扇等家用电器上得到广泛应

10、用。超声波传感器一般分为专用型和兼用型两种。 专用型由发送器和接受器两个独立部分组成， 兼用型既可发送超声波 （相当于发送器）， 又可接受超声波 （相当于接受器）。 超声波传感器的中心频率有 23kHz 、 40kHz 、 75kHz 、 200kHz 和 400kHz 等多种类型， 其中家用电器用超声波传感器的中心频率一般为 40kHz 。家用电器用超声波传感器， 一般利用压电效应原理制成， 它是采用双晶压电振子结构 （图 2 ）， 在发送器的双晶振子上加40kHz 的脉冲电压信号， 就会引起压电陶瓷 a 、 b 的伸长与收缩变化， 使得接受器的压电元件发生应变效应， 产生一面为正、 另一面

11、为负的电压， 也就是产生了与超声波频率 （ 40kHz ） 相同的电压信号。5 红外传感器红外传感器是根据热电效应和光子效应原理制成的。 运用热电效应制成的传感器称为热释电型红外传感器 ； 运用光子效应表 3 国产 2CU1 和 2CU2 型光敏二极管的主要参数型号 工作电压 V 暗电流 A 光生电流 A 灵敏度 ( A/ V) 峰值波长 mm2CU1A/2CU1B 10/202CU1C/2CU1D 30/40 0.2 80 0.5 8802CU1E 502CU2A/2CU2B 10/202CU2C/2CU2D 30/40 0.1 30 0.5 8802CU2E 50图 2 超声波传感器工作原

12、理示意图图 1 气敏控制电路框图在家用电器中广泛应用的是 QM-N5 型气敏传感器， 其极间电压为 10V ， 加热器电压为 4.5V 5.5V （交、 直流均可）， 加热丝电流为 125mA 140mA ， 工作温度为 -20 40 ， 它适用于检测煤气、 液化石油气、 汽油、 酒精、 一氧化碳等多种气体。3 光敏传感器光敏传感器广泛应用于家用电器的功能控制电路。 光敏传感器的检测对象有可见光与不可见光之分， 不可见光又有紫外线与红外线之分。 家用电器用光敏传感器主要有光敏二极管、 光敏晶体管和集成光敏传感器三种。3.1 光敏二极管光敏二极管具有线性好、 响应速度快、 灵敏度高、 噪声低、体

13、积小以及抗振动等特点。 国产管主要有 2DU 和 2CU 两种类型，日产主要有 PN 和 PIN 两种类型。 表 3 为国产 2CU1(2CU2) 型光敏二极管的主要参数。3.2 光敏晶体管光敏晶体管输出电路简单， 输出电流较大， 尤其在低频电路中广泛应用。 其中， 硅光敏晶体管一般用于检测可见光和探测赤热状态物体， 锗光敏晶体管多用于对红外线的检测。 一般情况下， 光敏晶体管的输出电流与光照度之间呈线性关系。 但当光照度足够大 （达到几千勒克斯） 时， 光敏晶体管会出现饱和现象，配套件专题 50原理制成的传感器称为量子 （光子） 型红外传感器。热释电型红外传感器多用于检测温度， 它主要是用热

14、释电材料 LiTaO 3 制成的热释电元件。 只要热释电元件的温度发生变化，传感器表面电荷就会发生变化。 同样， 当热释电元件吸收红外线后， 其结晶体的温度变化使结晶体表面电荷变 得 不平衡， 把这种不平衡电荷以电压变化的信号输出， 就可检测红外线。量子型红外传感器有光导电型和光电动势型两种。 光导电型红外传感器， 是利用半导体材料接受红外线照射阻值减小的光电效应制成的元件， 如 PbS 、 PbSe 、 HgCdTe 等半导体材料。 量1 黄贤武等编著 传感器原理与应用 成都 ： 电子科技大学出版社2 何希才编著 传感器及其应用电路 北京 ： 电子工业出版社编辑 / 李 鹏参 考 文 献关于

15、 移动式智能插座 的设计探讨随 着城镇居民家用电器使用量的不断增长， 作为配套用品的移动式电源插座的销售也日趋高涨， 但是，不合格的电源插座， 将给消费者带来巨大的安全隐患和生命危险。 这个使用时间长、 用量大的电气产品最容易被人忽视， 中国火灾统计年鉴 和北京市消防局历年统计数据显示， 由插座故障引发的火灾数量一直居各类火灾之首， 每年因插座漏电等导致的人身伤亡事故高达数百起。 据统计， 在 2007年插头插座的抽查中 ： 国家质检局抽样合格率为 80.4% ， 其中，小型企业产品抽样合格率只有 68.4% ； 地方质检局的抽样合格率最低仅为 10% 。 插座作为提供电源的关键设备， 遍布在

16、我们工作和生活的周围， 从插座环节上消除危险隐患， 应该引起大家的高度重视。1 目前插头插座主要质量问题问题一 ： 插套组件没有足够的弹性GB2099.1-1996 家用和类似用途插头插座 第一部分 ： 通用要求 中规定， 插座的插套组件应有足够的弹性， 确保插头与插座插合时有足够的接触压力。 但市场上某些移动式插座内部只有两片薄薄的铜片卡在绝缘壳的内冲压槽中， 没有一点弹性， 用合格的插头反复插拔几次， 内部薄铜片就变形了， 再多插几次， 明显感觉插头在插座中晃动。 如果插头与插座之间没有足够的接触压力， 使用时会造成插头与插座之间接触电阻过大， 温升过高，从而引发危险。问题二 ： 插销厚度不符合标准要求GB1002-1996