【導讀】變形而發(fā)電的；其次，利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置結構簡單，成本低，易于實現(xiàn)，可小型化。不足，從而制約了其在實際中的應用。從國外對壓電材料的研究中發(fā)現(xiàn)，影響。置每次動作時的發(fā)電量是需要進一步研究的問題。問題，也為壓電陶瓷材料在更廣闊的范圍應用打下了堅實基礎。通過對壓電振子實驗分析，研究對壓電振子輸出功率。并且用L44組成的整流橋和D475濾波電路組成控制電路來

　　

【正文】 質(zhì)的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點 加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點的溫度有關，和這兩種導體的材質(zhì)有關。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導體，所以稱之為 “ 熱電偶 ” 。不同材 質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化 1℃ 時，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數(shù)值大約在 5～ 40 微伏／ ℃ 之間。 熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快 速變化的過程。 溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器 (RTD)和 IC 溫度傳感器。 IC 溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型 。 接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。 溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可 xx 大學學士學位論文 24 測量物 體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量 120K 以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件 體積小、準確度高、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量～ 300K 范圍內(nèi)的溫度。 非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能 測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與 被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)：式中 ε 為材料表面發(fā)射率， ρ 為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質(zhì)真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質(zhì)達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔 底溫度（即介質(zhì)溫度）進行修正而得到介質(zhì)的真實溫度。 非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于 1800℃ 以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發(fā)展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700℃ 以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。 xx 大學學士學位論文 25 溫度傳感器的種類與測溫范圍 表 41 測溫傳感器的種類與測溫范圍 測溫傳感器的種類與測溫范圍 測量原理 種類 測溫范圍（ 1℃ ） 特征 體積熱膨脹 玻璃制水銀溫度計 20— +350 不需要用電 玻璃制有機液體 溫度計 100— +100 雙金屬溫度計 0— +300 液體壓力溫度計 200— +350 氣體壓力溫度計 250— +550 電阻變化 銅電阻 50— +150 精度中等，價格低 鉑電阻 200— +600 精度高，價格貴 熱敏電阻 低溫 200— 0 精度低，靈敏度高，價格最低 一般 50— +30 中溫 0— +700 熱電效應 鎳鉻 — 考銅 0500(200— +800) 測量范圍寬，精度高， 需要冷端補償 鎳鉻 — 鎳硅 0800(200— +1250) 鉑銠 10— 鉑 200— 1400(0— 1700) 鉑銠 30— 鉑銠 200— 1500(100— 1900) P— N結結電壓變化 半導體二極管 150— +150(Si) 靈敏度高，線性度好， 二極管一類價格低 晶體管特性變化 晶體管 150— +150 半導體集成電路 40— +150 壓電反應 石英晶體振蕩器 100— +200 可作標準使用 頻率變化 SAW振蕩元件 0— +200 光學變化 光學高溫度計 900— +2020 非接觸測量 熱輻射 輻射源溫度傳感器 100— +2020 磁性變化 熱鐵素體 80— +150 在特定溫度下變化 FeNiCu合金 0— 350 電容變化 BaSrT2O3陶瓷 270— +150 溫度與電容是倒數(shù)關系 物質(zhì)顏色 示溫涂料 0— 1300 檢測溫度不連續(xù) 液晶 0— 100 顏色連續(xù)變化 xx 大學學士學位論文 26 溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接 觸式溫度傳感器需要與被測介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、 PN 結溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸，而是 通過被測介質(zhì)的熱輻射或對流傳到溫度傳感器，以達到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度布）。 PN 結溫度傳感器 PN 結溫度傳感器工作原理 ： 晶體二極管或三極管的 PN 結的結電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的 PN 結的結電壓在溫度每升高 1℃ 時，下降 2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關二極管 1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成 二極管來做 PN 結溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時間常數(shù)為 — 2 秒，靈敏度高。測溫范圍為 50— +150℃。 同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。 應用電路 ： 圖 41 是采用 PN 結溫度傳感器的數(shù)字式溫度計，測溫范圍 50— 150℃ ，分辨率為 ℃ ,在 0— 100℃ 范圍內(nèi)精度可達 177。1 ℃ 。圖中的 R1，R2， D， W1 組成測溫電橋，其輸出信號接差動放大器 A1，經(jīng)放大后的信號輸入0— 177。 數(shù)字式電壓表（ DVM）顯示。放大后的靈敏度 10mV/℃ 。 A2 接成電壓跟隨器。與 W2 配合可調(diào)節(jié)放大器 A1 的增益。通過 PN 結溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。一般工作電流為 100—300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩(wěn)壓精度。 圖 41 PN結溫度傳感器應用電路 MC14433 是美國 Motorola 公司 推出的單片 3 1/2 位 A/D 轉換器，其中集成 xx 大學學士學位論文 27 了雙積分式 A/D 轉換器所有的 CMOS 模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的 A/D 轉換器，其主要功能特性如下： 1． 精度：讀數(shù)的 177。%177。1 字 2． 模擬電壓輸入量程： 和 兩檔 3． 轉換速率： 225 次 /s 4． 輸入阻抗：大于 1000MΩ 5． 電源電壓： 177。 — 177。8V 6． 功耗： 8mW（ 177。5V 電源電壓時，典型值） 7． 采用字位動態(tài)掃描 BCD 碼輸出方式，即千、百、十、個位 BCD 碼分時在Q0— Q3 輪流輸出，同時在 DS1— DS4 端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現(xiàn) LED 的動態(tài)顯示。 MC14433 最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計等各類數(shù)字化儀表及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 A/D 轉換接口。 MC14433 芯片如圖 42所示 。 圖 42 MC14433 芯片圖 MC14433 的引腳說明： 1． Pin1(VAG)— 模擬地，為高科技阻輸入端，被測電壓和基準電壓的接入地。 2． Pin2(VR)— 基準電壓，此引腳為外接基準電壓的輸入端。 MC14433 只要一個正基準電壓即可測量正、負極性的電壓。此外， VR 端只要加上一個大于 5個時鐘周期的負脈沖 (VR)，就能夠復為至轉換周期的起始點。 3． Pin3(Vx)— 被測電壓的輸入端， MC14433 屬于雙積分型 A/D 轉換器 。 4． Pin4Pin6(R1/C1， C1)— 外接積分元件端。 5． Pin Pin8(C0 C02)— 外接失調(diào)補償電容端，電容一般也選 聚脂 薄膜電容即可。 xx 大學學士學位論文 28 6． Pin9(DU)— 更新顯示控制端，此引腳用來控制轉換結果的輸出。如果在積分器反向積分周期之前， DU 端輸入一個正跳 變脈沖，該轉換周期所得到的結果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開關選擇后輸出。否則繼續(xù)輸出上一個轉換周期所測量的數(shù)據(jù)。這個作用可用于保存測量數(shù)據(jù)，若不需要保存數(shù)據(jù)而是直接輸出測量數(shù)據(jù)，將 DU端與 EOC 引腳直接短接即可。 7． Pin Pin11(CLK CLK0)— 時鐘外接元件端， MC14433 內(nèi)置了時鐘振蕩電路，對時鐘頻率要求不高的場合，可選擇一個電阻即可設定時鐘頻率，時鐘頻率為 66kHz 時，外接電阻取 300kΩ 即可。 8． Pin12(VEE)— 負電源端。 VEE 是整個電路的電壓最低點，此引腳的電流約為 ，驅動電流并不流經(jīng)此引腳，故對提供此負電壓的電源供給電流要求不高。 9． Pin13(Vss)— 數(shù)字電路的負電源引腳。 Vss 工作電壓范圍為 VDD5V≥Vss≥V EE。除 CLK0 外，所有輸出端均以 Vss 為低電平基準。 10． Pin14(EOC)— 轉換周期結束標志位。每個轉換周期結束時， EOC 將輸出一個正脈沖信號。 11． Pin15(OR )— 過量程標志位，當 |Vx|VREF時， OR 輸出為低電平。 12． Pin1 1 1 19(DS DS DS DS1)— 多路選通脈沖輸出端。DS DS DS3 和 DS4分別對應千位、百位、十位、個位選通信號。當某一位DS信號有效（高電平）時，所對應的數(shù)據(jù)從 Q0、 Q Q2 和 Q3 輸出，兩個選通脈沖之間的間隔為 2個時鐘周期，以保證數(shù)據(jù)有充分的穩(wěn)定時間。 13． Pin 2 2 23(Q0、 Q Q Q3)— BCD 碼數(shù)據(jù)輸出端。該 A/D 轉換器以 BCD 碼的方式輸出，通過多路開關分時選通輸出個位、十位、百位和千位的 BCD 數(shù)據(jù)。同時在 DS1 期間輸出的千位 BCD 碼還包含 過量程、欠量程和極性標志信息，這些信息所代表的意義見下表。 14． Pin24(VDD)— 正電源電壓端。 壓電發(fā)電一體化溫度傳感器的設計 懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電一體化 PN 結溫度傳感器是本次研究的壓電發(fā)電一體化溫度傳感器的一種，如第二章所示，懸臂支撐沖擊式壓電 /發(fā)電裝置可以提供溫度傳感器所需電壓，將這種壓電 /發(fā)電裝置應用于溫度傳感器中，更優(yōu)化了溫度傳感器應用裝置，集節(jié)能，環(huán)保，易實現(xiàn)等特點于一體，是未來電子裝置設計的方向。 將懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電裝置，加載在 PN 結溫度傳感器 上，就實現(xiàn)了壓電 /發(fā)