传感器温度场零干扰设计.pdf

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1、第24卷第3期传感技术学报Vo1．24No．32011年3月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSMar．2Ol1Non．InterferingDesignofTemperatureFieldonSensorL／UYingwei，QIAOYingjie，ZHANGHongquan，1．CollgeofMaterialsScience＆Engineering，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China；、＼2．The49thResearchlnstit

2、ueofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation，Harbin150001，China]Abstract：ThesensitivityofsensorandtheaccuracyofitsoutputsignalwereaffectedbythermalinterferencebetweendetectingandcompensatingcomponentsOfasensor．Toavoidtheinterference，theoptimizationdesignofsensorhasb

3、eencarrled6ut0nabasisofthermalanalysisoftemperaturefieldsonthesensorwhichwerecalculatedbyFiniteElementMethod．Theresultsshowthatthetherma1interferencecanbesignificantlyreducedthroughthemodificationofbaseboardOilthesensorbyaddingheatinsulationslotsandenhancingdirectiona

4、lheatdispersion．Keywords：sensor；thermalanalysis；FEM；ANSYSEEACC：7230；7320Rdoi：10．3969／j．issn．1004-1699．2011．03．007传感器温度场零干扰设计术刘英伟，乔英杰，张洪泉，1．哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨150001；、I2．中电集团49所，哈尔滨150001／摘要：传感器的检测元件和补偿元件在工作时存在温度干扰问题。温度干扰会降低传感器的灵敏度，影响输出信号的准确性。为解决这一问题，采用有限元方法对传感器温度场进

5、行了分析，根据分析结果进行优化设计：改变基板结构，增加隔热槽，加强定向散热。然后，根据改进后方案重新建立有限元模型进行模拟，结果表明，元件间温度干扰大大减少，证明新方案是可行的。关键词：传感器；热分析；有限元；ANSYS；中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1004-1699(2011)03-0346-04接触燃烧式传感器用于检测煤矿井下可燃性气因此须用电源将加热到一定的工作温度下，如体的浓度，当浓度达到一定临界值时，探测器发出警图3所示(图中尺寸单位为毫米)。图2中R作为报，以保证井下安全。图1为传感器工作电路简图

6、。补偿元件，必须和R处于相同的工作条件下，即R2电阻尼是气体检测元件，上面浸涂了催化剂，可以和也必须加热到同样的温度。气体发生化学反应，：为补偿元件，用于消除各种不良因素对输出信号的干扰；和构成电路的基本电压部分。其中、和均不与气体反应。图2检测元件与补偿元件图1传感器工作电路简图当井下存在可燃性气体时，气体和催化剂发生由于气体和催化剂要在一定温度下进行反应，反应放出热量，使R的温度升高，阻值发生变化，从项目来源：国家自然科学基金项目(60971020／F010907)收稿日期：2010—08—31修改日期：2010—09—26第

7、3期刘英伟，乔英杰等：传感器温度场零干扰设计347而导致输出电压f／也发生变化。通过检测U．．，就1．2边界条件可以对气体浓度进行判断并预警。传感器在实际封装时，用很细的金属丝悬挂起来，热传导可忽略不计。根据估算，热辐射也很小。因此，主要散热形式为对流。本文考虑自然对流条件，对流散热系数取30W·113K，空气温度300K。1．3生热率～铂片由电池供电，假设消耗在铂片上的电功率是P，除以铂片体积就得到生热率。O05O05图3加热电路由于和R同处一块基板上，R反应放出的热量，将不可避免地影响到尺，使之温度升高，阻值变大。由于是补偿元

8、件，其阻值的改变，使得尺．因加热而升高的阻值被抵消一部分，导致输信号图4有限元模型有偏差，影响传感器的灵敏度。因此，传感器能否正2温度干扰情况分析常工作，很大程度上取决于尺对月的热干扰程度。为了考察这种干扰，本文采用有限元方法对温度场一般催化燃烧反