空调中传感器的应用

摘要：家用空调系统中，温度和传感器的作用是对空调房间里的空气进行检测，控制调节空调正常工作，是空调系统中的重要部件。本文介绍了热敏电阻式、热胀式温度传感器的工作原理及其特性，陶瓷湿度传感器的原理。根据温湿度传感器的现状，提出了温湿度传感器的发展方向。

关键词：家用空调温度传感器湿度传感器

Abstract:In the home air conditioning system,the function of temperature and sensor is to detect the air in the air-conditioned room. It is an important part of the air-conditioning system to control the normal operation of the air conditioner.This paper describes the thermistor,thermal expansion of the working principle of the temperature sensor and its characteristics,the principle of ceramic humidity sensor. According to the present situation of temperature and humidity sensor, the development direction of temperature and humidity sensor is put forward.

Keywords:home air conditioning temperature sensor humidity sensor

在生理学家研究之后，人们知道自己生活的室内温湿度应该满足一定要求，只有这样，人体才会感到舒适。在1902年7月17日，被誉为“空调之父”的威利斯·哈维兰·卡里尔发明了世界上第一台空调。此后的20年间，空调一直被机器使用。直到1922年，人们才开始享受空调，自此以后，就再也离不开了。

1.人体舒适温湿度概述

据生理学家研究，室内温度过高时，会影响人的体温调节功能，由于散热不良而引起体温升高、血管舒张、脉搏加快、心率加速。冬季，如果室内温度经常保持在25℃以上，人就会神疲力乏、头晕脑涨、思维迟钝、记忆力差。同时，由于室内外温差悬殊，人体难以适应，容易患伤风感冒。如果室内温度过低，则会使人体代谢功能下降，脉搏、呼吸减慢，皮下血管收缩，皮肤过度紧张，呼吸道粘膜的抵抗力减弱，容易诱发呼吸道疾病。因此，科学家们把人对“冷耐受”的下限温度和“热耐受”的上限温度，分别定为11℃和32℃。

在注意室内温度调节的同时，还应注意室内的湿度。夏天，室内湿度过大时，会抑制人体散热，使人感到十分闷热、烦躁。冬天，室内湿度大时，则会加速热传导，使人觉得阴冷、抑郁。室内湿度过低时，因上呼吸道粘膜的水分大量散失，人会感到口干、舌燥，甚至咽喉肿痛、声音嘶哑和鼻出血等，并易患感冒。所以，专家们研究认为，相对湿度上限值不应超过80%，下限值不应低于30%。人体对于环境温湿度感受详见图1。

图1：人体对环境温湿度感知

因此，现在的空调除了调节温度之外，还必须适当调节湿度，让使用者感到舒适。

2.空调中传感器使用

空调原理图如图2，为了实现智能调控采用了许多传感器，其中尤其以温度和湿度传感器最为重要。温度传感器主要安装部位：①安装在室内挂机的过滤网下面，用来检测室内环境温度是否达到设定值；②安装在室内蒸发器管道上，测量制冷系统蒸发温度；③安装在室内机出风口、用于室外机融霜控制；④安装在室外散热器上，用于检测室外环境温度；⑤安装在室外散热器上，用于检测室管道温度；⑥安装在室外压缩机排气管上，用于检测压缩机排气管温度；⑦安装在压缩机贮液罐附近，用于检测回液管温度。湿度传感器主要安装部位：风道内插装湿度传感器，检测出风空气的湿度。

图2：空调原理图

3.温度传感器

3.1温度传感器概述

温度传感器是空调系统中的重要部件。其作用是对空调房间里的空气进行检测，控制调节空调正常工作。为了能自动地调节房间内温度的高低空调系统中必须设置温度传感器。温度传感器种类甚多，但在家用空调系统中使用的主要有两种：热敏电阻式(电子式温控器)和热胀式温度传感器(波纹管式温控器、膜盒式温控器统称为机械式温控器)。目前普遍用得较多的是热敏电阻式温度传感器，

机械式温控器一般用于单冷式空调中，空调智能温度传感器正在进一步研发与推广之中[1]。

3.2热胀式温度传感器

这是根据物体热胀冷缩的性质而构成的一种温度传感器。利用热膨胀产生的机械位移。

直接带动控制开关动作，从而构成兼备传感器与控制器双重功能的温控器。热胀式温度传感器有双金属式和蒸气压力式两种。空调系统中所用的压力式温度传感器大多为蒸气压力式。

蒸气压力式温控器又分波纹管式温控器和膜盒式温控器两种。它们都是根据感温包内的感温济压力随温度的变化，使气式(波纹管或膜盒)相应地发生伸缩位移，再通过传动机构(杠杆系统)加以放大，从而控制触点机构将压缩机控制电路接通或断开。两者的区别是前者感温腔传动元件为波纹管，腔内感温济的压力变化与波纹管的位移呈线性关系；后者感温腔传动元件为金属膜盒，腔内感温剂的压力变化与膜盒位移呈非线性系。压力式温控器一般用于单冷式空调中。

3.2.1波纹管式温控器

波纹管式温控器如图3所示。它由感温系统、压力传动机构、开关触点、调节机构以及外壳等组成。感温系统由一根毛细管和波纹管(气室)组成，其内部充有一定量的感温剂，感温剂一般采用氯甲烷。

图3：波纹管式温控器原理图

工作原理：波纹管的动作作用于弹簧，弹簧的弹力是由控制板上的旋钮所控

制的，毛细管放在空调机的室内吸入空气的风口。处，对室内循环回风的温度起反应。当室温上升至调定的温度时，毛细管和波纹管中的感温剂气体膨胀，使波纹管伸长并克服弹簧；的弹力把开关触点接通，此时压缩机运转，系统制冷，直到室温又降至设定的温度时，感温包气体收缩，波纹管收缩与弹簧一起动作，将开关置于断开位置，使压缩机的电动机电路切断。以此反复动作，从而迟到控制房间温度的目的。

3.2.2膜盒式温控器

膜盒式温控器如图4所示，感温系统主要由测温管、毛细管和密封的膜盒组成；调节机构由凸轮和转轴组成；执行机构由弹簧、压板和微动开关组成。膜盒的一端通过毛细管接在测温管上，内充感温剂；另一端与压板接触。当室温变化时，膜盒内部的压力也随之改变，通过压板一端的顶杆使串连在电路中的开关触点接通或断开，进而控制压缩机的运行和停止。

图4：膜盒式温控器原理图

3.2.3常见故障

机械式温度控制器的控温精度虽然较差，但它控制方便，故障判别比较容易，所以仍在广泛应用。对于机械式温度控制器，较常发生的故障有以下几种：(1)温控器感温包内的制冷济泄露，使温控器常闭触点无法闭合；(2)温控器的常闭触点氧化严重，使触点不导通或导通不良，造成压缩机无法启动；(3)温控器触点粘连，使压缩机不能停机，在确认空调器制冷(热)正常后，一般都可以确定是

温控器故障。前两种故障，可以通过用万用表测量温控器的接线端子来确定，用万用表R×10档来测触点间的电阻，通时阻值应为零，断时阻值则为无穷大。也可以用导线短接两接线端子，看压缩机能否启动，来验证故障是否出在温控器。

3.3热敏电阻式温度传感器

热敏电阻式传感器是目前空调温度传感器所使用的主流传感器，灵敏度高、体积小、反应迅速，使用方便，不必考虑线路引线电阻和接线方式，功耗小，性能可靠，当前在空调温度传感器中应用最广。

图5：惠斯登电桥

热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件。热敏电阻式温度传感器是根据惠斯登电桥原理制成的，惠斯登电桥如图5所示。在AB两端接上电源E，根据基尔霍夫定律，当电桥的电阻R1xR4=R2xR3时，C与D两点的电位相等，输出端C与D之间没有电流流：其过，热敏电阻的阻抗R1的大小随周围温度的上升或下降而改变，使平衡受到破坏，CD之间有输出电流。因此，在构成温控器时，可很容易地通过选择适当的热敏电阻来改变温度调节范围和工作温度。

温度变化使负温度系数的热敏电阻阻值变化，CPU端子的电压也随之变化，CPU根据电压的变化来决定空调的工作状态。任一温度传感器损坏都将导致空调系统工作异常。

4.湿度传感器

空调中的湿度传感器，可以实时监测空气中的湿度并智能调节，营造一个舒适的居住环境。在空调内部，常使用陶瓷湿度传感器。

陶瓷湿度传感器主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿的过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度[2]。

以‐Ti为例说明其典型结构．如图6所示，在‐Ti陶瓷片的两面，设置高金电极，并用掺金玻璃粉将引出线与金电极烧结在一起．在半导体陶瓷片的外面，安放一个由镍铅丝烧制两成的加热清洗圈，以便对元件进行经常加热清洗，排除有害气氛对元件的污染．元件安放在一种高度致密的、疏水性的陶瓷底片上．为消除底座上测量电极2程3之间由于吸温和污染而引起漏电．在电极2和3的四周设置金短路环。

图6：‐Ti湿度传感器原件结构

陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时，引起电极间电阻值随相对湿度成指数变化，从而湿度信息转化为电信号。

5.温湿度传感器发展趋势

目前温湿度传感器在市场上的份额大大超过了其他的传感器。其技术也朝着高精度、高可靠性、宽测量范围、微型化及微功耗方向发展，并不断开发出一些能在特殊环境下工作的传感器，如可在极端温度环境(-200℃一2000℃)、电磁干扰严重、化学腐蚀性强的恶劣环境中工作的光纤温湿度传感器。

除此之外，为适应微集成系统的发展，温湿度传感器技术正趋向于数字化、集成化和智能化发展的发展方向。“数字化”说明它的输出不再是单一的模拟信号，信号经过放大、A/D转换、线性化后变成纯数字信号。这种数字信号可以通过各种标准的接口(IZC、USB等)与微控制器相连。“集成化”说明温湿度传感

器将辅助电路中的元件与传感元件集成在同一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，其测量准确度高、体积小、功耗小、成本低，更适合应用于集成电路系统。“智能化”说明它是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统温湿度传感器相比有很多特点:①具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高了测量精度;②可实现多点温度测量;③测量数据可存取。便于进一步提高设备分析、预测的智能化程度;④有标准数据通信接口，能与微型计算机直接通信。

总之，目前智能温湿度传感器正朝着高精度、多功能、可靠性及安全性、网络性以及研制中片测温系统等高科技的方向迅速发展。