热敏感与执行原理VIP专享VIP免费

第四章热敏感与执行原理热传感器与执行器概述-热传感器-热执行器-热传递的基本原理基于热膨胀的传感器与执行器-热双层片基本原理-单一材料组成的热执行器热电偶热电阻器应用微传感器实例---热学微执行器制动方式实例---热执行器热传感器与执行器概述---热传感器热传感器包括两种含义：用于测量诸如温度和热等热学性质的传感器；（2）基于热传递原理的传感器。热传感器与执行器概述---热执行器微器件和结构的执行可以通过注入或抽走其中的热量来实现。温度分布的变化通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或者力的输出。微结构通过吸收电磁波、欧姆热、热传导和热对流的热量，温度可以升高；而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及有源热电制冷，微结构的温度可以降低。热执行原理已用于商业的MEMS产品中。现在很多喷墨打印机都是利用墨水的热膨胀来喷出墨滴。热喷墨打印机墨嘴的示意图如下图所示。热传感器与执行器概述---热传递基本原理微尺度下原子的振动证明了温度的存在。当材料中存在温度梯度时就会产生热传递。热量从一点传递到另一点有四种可能的机制：1）传导，即当存在温度梯度时，热量通过固体媒介传递；2）自然对流，即热量从表面传递到静止流体内部，流体里的温度梯度通过浮力引起了液体的局部流动，流体质量的运动促进了热传递；3）强迫对流，即热量传递到运动流体的内部，这种内部流体运动比自然热对流引起的热传递要强；4）辐射，即通过真空或空气中传播的电磁辐射引起热量的损失或增加。基于热膨胀的传感器和执行器热膨胀是材料的普遍行为。温度上升后，由半导体、金属、绝缘体材料构成结构的尺寸和体积都会变大。热双层片原理对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。图热双金属片弯曲（）21基于热膨胀的传感器和执行器---热双层片原理热双层片由在纵向上连在一起的两种材料构成，两种材料构成一个机械单元。它们有相同的长度，但热膨胀系数（CTE)不同.当温度均匀变化△T时，两层的长度变化不一样。梁向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲。横向的梁弯曲由此产生。许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银滴继电器的移动，从而控制加热/冷却电路中的电流。静电执行热双层片执行优点低频时低功耗较大的运动范围很快的响应速度同等位移下较小的覆盖面积缺点较小的运动范围因电流产生欧姆热，工作效率较高需要大的面积和覆盖区以产生较大的力和位移因时间常数受制于加热和散热，响应速度较慢表静电和热双层片执行的特点例4.1一个双层片悬臂梁由不同长度的两层构成。上面一层由铝制成（材料2），下面一层由氮化硅制成（材料1）。两层的宽度均为20um。A点到B点的长度为100um，从B电到C点的长度也是100um.铝和氮化硅的杨氏模量分别为为。厚度是。热膨胀系为，室温下，悬臂梁是直的。相对于室温，梁均匀加热20℃，求悬臂梁的曲率半径（r）以及自由端的垂直位移量。2170250EGPaEGPa、66212510/310/CC、210.51tumum、t解:这个复合梁有两段。A点到B点这段受双层片效应的影响而弯曲。B点到C点这段仅由单一的材料组成，这段不会自行弯曲，但它会随着B点发生的弯曲而弯曲。对于AB段，可以用下面的表达式来求曲率半径12121212122222221112221212121122121812661113128116()()1()()2(232)6(40010)(7025010)0.510(1.510)(2210)202.5101.225107(410)1.38610260.95.310wwEEttttTrwEtwEtwwEEttttttm1AB段的曲率半径是r=0.00383m圆弧部分的角度为：B点的垂直位移是:C点的垂直位移是：0.00010.0261.490.00383Lradr6cos()1.310Brrm6sin()3.910CBLm基于热膨胀的传感器和执行器---单一材料组成的热执行器热双层片的弯曲很容易产生离面线性位移或角...