气敏元件的加热功率与温度的关系

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1、气敏元件的加热功率与温度的关系张开文zkw46@126.com(2012.11.16)一、加热器的设计加热器的设计实际是加热器在达到热平衡后，使整个元件的工作温度达到使用的温度要求。它包括载体及其上面的敏感体、加热器、导电电极、和引出线。当加热器施加工作的加热电压UH时，其施加的加热功率PH=UH*IH该功率产生的热量Q使整个基体发热，平衡后达到一定的工作温度。在实际的工作过程中不可避免的有热量的损失。热损失包括对流、传导和辐射。传导和辐射损失的热量最大。损失的热量散发到周围的环境中，余下的热量就使整个元件加热。当施加的电功

2、率产生的热量在某一个温度下平衡时，整个基体的温度就不再上升，保持在一个相对稳定的温度点上。设：施加的功率PH=UH×IH，产生的功W=PH×tt—时间1）基体温升的热量Q1Q1=CMΔTC=比热容(J/g.℃)M=质量gΔT=（T-T0）温升2）、耗散的热量Q2Q2=αS（T-T0）α=散热系数W/cm2.℃S=表面积cm2T=基体温度℃T0=环境温度℃3）、当施加的电压产生的热能W与基体温升和耗散的热量达到平衡时：即W=Q1+Q2则PHt=W=Q1+Q2=CMΔT+αS（T-T0）微分得：PHdt=CMΔTdt+αS（T-

3、T0）dt解微分方程得：T=T0+PH/αs(1-e-αs/cm.t)当t→∞T=T0+PH/αs当t=3CM/αs时（t总是可以达到3CM/αs的）那么：T=T0+PH/αs(1-e-3)=T0+0.95PH/αs上式表示：基体的温度等于环境温度加上施加的加热功率除以散热系数和基体表面积的0.95倍。当环境温度、加热功率、基体的表面积和散热系数确定后就能算出基片的温度。但是散热系数很难确定，实际要想比较准确的计算出基体的温度是困难的。另外气敏元件的结构形式多种多样：有直热式球状、微球状、片状；旁热式有管状、片状等等。加上气

4、敏元件各种各样的结构材料要想获得气敏元件的散热系数那是相当的困难，也许就不可能获得确切的散热系数。因此基体的温度设计最简单的方法就是通过试验获得比较容易。那么怎样通过实验来确定气敏元件的温度呢？通常是通过气敏元件的灵敏度与加热功率的关系曲线找出最佳的工作条件。任何一个气敏元件都会有一个最佳的工作条件。找到最佳的工作条件，比如最佳的加热功率为750mw，再根据实际情况设计出元件的加热电压为5v,加热电阻就可以算出来为33Ω左右。虽然我们并不确定元件的工温度是多少，但这样设计出来的元件一定是工作在最佳的工作条件下。二、悬挂式片式

5、气敏元件的功率与基片温度（1）元件的功率这里主要是指元件的加热功率PH。PH的设计根据基片的尺寸大小、芯片的结构、安装的方式和元件正常工作的温度。PH=Hs+Hr+HaHs=基片的耗散Hr=芯片的辐射损失Ha=热交换损失基片是悬挂式的，芯片周围是空气热阻高，为了计算方便可把Hs看做0即：Hs=0；Hr=A×5.67×10-8×10-6[(T0)4-(T0)4](2a2+4da)T0=芯片温度T0=为外壳的平均温度a=芯片的边长d=厚度)A=芯片及外壳的吸收率，一般材料为0.8—0.9取0.85中间值。Hr=0.85×5.67

6、×10-8×10-6[(T0)4-(T0)4](2a2+4da)Ha=基片的耗散，包括对流(Ha1)和传导（Ha2）它与(T0-T0)成正比，则Ha=βλa(T0-T0)(2a2+4da)λa=空气的导热系数=2.52×10-2（w.m.k-1）β=8.44Ha=8.44×2.52×10-2(T0-T0)(2a2+4da)PH=Hs+Hr+Ha=Hr+HaPH={5.67×10-11[(T0)4-(T0)4]×0.85+0.21(T0-T0)}(2a2+4da)PH={4.8195×10-11[(T0)4-(T0)4]+0.

7、21(T0-T0)}(2a2+4da)注：这里原文可能有误，10-8×10-6怎么变成10-11，根据后面的示列演算我认为10-11是正确，要不算出的结果就不符合实际的情况。T0=为外壳的平均温度(金属网罩和底座的平均温度),随芯片温度T0=芯片温度而变化，与环境温度Tr有关，即T0=aT0+bTr通过实验测定a=1.35×10-1、b=1.0则：T0=1.35×10-1T0+1.0TrTr=环境温度S=(2a2+4da)当a=1.5d=0.25则S=6PH={4.8195×10-11[(T0)4-(T0)4]+0.21(T

8、0-T0)}(2a2+4da)T0=1.35×10-1T0+1.0TrS=(2a2+4da)例：设芯片温度T0=327℃=600K环境温度Tr=27℃=273+27=300K，基片a=1.5、d=0.25则：T0=1.35×10-1×600+1.0×300=381(T0)4-(T0)4=6