基于热膨胀性能的双材料温度传感器结构性能分析

论文总字数：20638字

摘 要

文中首先总结了温度传感器的发展历史和它们性能的优缺点，并着重介绍了双材料温度传感器的设计特点。接着对双材料温度传感器的工作原理进行了详细的理论推导，通过使用不同的材料组合分别计算理论的挠度和仿真的挠度，并比较了它们的结果，证明了理论结果的正确性。不管是对于均匀温度的情况还是变化温度的情况，我们的计算均表明，这种温度传感器的变形量是与温度变化成正比的。

最后为获得较高的温度传感器灵敏度，我们根据理论推导的公式，分别研究了悬臂梁厚度，悬臂梁结构形状，材料特性等对其测温灵敏度的影响，发现增加悬臂梁长度，增加两种材料的热膨胀差别，材料厚度比控制在1.15左右能够得到较高的灵敏度。

关键词：温度传感器，热膨胀，COMSOL仿真，灵敏度，结构设计

A STUDY ON THE THERMAL CONDUCTANCE

OF BIMATERIAL MICROCANTILEVERS

02012319 Kefei Yan

Supervised by Zhiyong Wei

Abstract：According to the thermal expansion of materials, we put forward a simple and practical design of temperature sensor ,which is based on bimaterial cantilever beam.In theory, we get the relationship between the deflection of the cantilever beam and the temperature change.Beside that,we found the sensitivity of the cantilever beam is related to the size of structure and the material.And we optimize the structure by COMSOL,which is a finite element analysis software.

In this articial, we first summarize the development history of the temperature sensor , the advantages and disadvantages of them. What's more,we emphatically introduce the characteristics of bimaterial temperature sensor. Then we make a detailed theoretical deduction for its working principle, After that we calculate the deflection in theory and in simulation for different material combinations.With the result of comparision,we can make sure that the therory is correct.Our caculation prove that the deformation of this kind of temperature sensor is proportional to the temperature change, whether it is for the uniform temperature or the varied temperature.

Finally in order to obtain a higher temperature sensitivity of the sensor,we make a research of the influence of the cantilever beam's thickness , shape and the material properties.And we found the optimistic sensitivity under the situation of the more length of the cantilever beam , the larger difference of two materials' thermal expansion ,and the thickness ratio of the material is 1.15.

Key words: temperature sensor, COMSOL, simulation, structure design, sensitivity

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 Ⅲ

1. 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 温度传感器发展的历史和现状 1

1.2.1 温度传感器的发展的历史 1

1.2.2 温度传感器的分类 1

1.2.3 温度传感器的发展现状及发展趋势 2

1.3 COMSOL软件的介绍 3

2. 基于热膨胀性能的双材料温度传感器的理论分析 5

2.1 悬臂梁变形量与温度变化关系 5

2.1.1 悬臂梁整体温度均匀上升 5

2.1.2 悬臂梁尖端部分受热变形 7

2.2 利用COMSOL软件检验上述公式推导 9

2.2.1 悬臂梁整体温度均匀上升 9

2.2.2 悬臂梁尖端部分受热情形 13

3. 温度传感器的性能分析和几种结构的设计 16

3.1 双材料温度传感器的性能分析 16

3.1.1 温度传感器灵敏度的理解 16

3.1.2 热膨胀系数对温度传感器的影响 16

3.1.3 厚度比对温度传感器的影响 17

3.1.4 其它参数对温度传感器的影响 17

3.2 不同结构的温度传感器的仿真 18

3.2.1 设计基础理论 18

3.2.2 截面形状对变形量的影响 19

3.2.3 变截面的双材料梁 26

3.2.4 U型悬臂梁结构 29

3.3 总结温度传感器设计模型 30

4. 总结和展望 31

4.1 总结 31

4.2 改进的一些思路 31

致谢 33

参考文献 34

基于热膨胀的双材料温度传感器的研究

1.绪论

1.1引言

在21世纪，我们的加工制造业中存在着最重要的一个环节就是测量。任何的精细加工制造都需要精确地测量来确保产品的质量，准确的测量可以大大增加产品的成品率，也保证了后面的人可以安全使用并发挥其最大的作用。而在各种测量数据中，我们最常遇到的就是温度的测量，它与人类的生活密切相关，在工农医商中都涉及到温度的测量，例如在工业生产线上的自动化作业，温度测量点占全部测量点的一半。对于温度的测量，我们从没有停止过研究的脚步，早在两千年前，人们就在努力地探索，并使用温度传感器测量温度，但伴随着各种工业的发展，各种标准的提高，我们对于测量的精确度和适用于多种环境测量功能的需求却一直不能得到满足。而为了使我们的制造业能够不断的进步，测量技术的发展是亟待解决的一环。

关于如何提高测量的准确度和灵敏度，我们最先想到的是温度测量的原理，众所周知这是基于一定的物理知识，也就是在现行物理发展的状况下，我们所能利用的工具中，要选择最能满足我们需要的方法来进行设计，而在当代，人们已经用自己的聪明才智发掘了多种多样的测量方法，下面我们会一一提到。而在本篇文章中我们打算对其中之一进行深刻的分析，这是温度测量的基础方法之一，很多都是在其基础上进行了扩展和演化，而我认为要对基础有深刻理解是极为重要的，在以后的研究一定会有巨大作用的。而更大的进步只能寄希望于物理学的进步了，它会决定未来测量的发展方向，不过现在我们要集中注意力于如何利用现有的知识来提高我们的测量效果，这就需要我们对现有结构做一些创新，使其符合我们的要求。

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