傳感器基礎(chǔ)知識

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯傳感器基礎(chǔ)知識 傳感器由敏感元器件（感知元件）和轉(zhuǎn)換器件兩部分組成，有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構(gòu)成傳感器。敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來講，可分為物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)?；瘜W(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將傳感器分46類）。下面對常用的熱敏、光敏、氣敏、力敏和磁敏傳感器及其敏感元件介紹如下。 一 溫度傳感器及熱敏元件 溫

2、度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導(dǎo)體熱敏電阻等。以半導(dǎo)體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛，這是由于在元件允許工作條件范圍內(nèi)，半導(dǎo)體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點，而且制造工藝簡潔、價格低廉。 1 半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理 按溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。 正溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理 此種熱敏電阻以鈦酸鋇（BaTio3）為基本材料，再摻入適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)爾成。純鈦酸鋇是一種絕緣材料，但摻入適量的稀土元素如鑭（La）和鈮（N

3、b）等以后，變成了半導(dǎo)體材料，被稱半導(dǎo)體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對于導(dǎo)電電子而言，晶粒間界面相當(dāng)于一個位壘。當(dāng)溫度低時，由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場的作用，導(dǎo)電電子可以很簡單越過位壘，所以電阻值較??；當(dāng)溫度上升到居里點溫度（即臨界溫度，此元件的溫度掌握點' 一般鈦酸鋇的居里點為120）時，內(nèi)電場受到破壞，不能關(guān)心導(dǎo)電電子越過位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。由于這種元件具有未達居里點前電阻隨溫度變化特別緩慢，具有恒溫、調(diào)溫柔自動控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無明火，不易燃燒，電壓交、直流3440V均可，使用壽命長，特別適用于電動機等電器裝置的過熱探測。 負(fù)溫度系

4、數(shù)熱敏電阻的工作原理 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采納陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度上升，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻類型許多，使用區(qū)分低溫（-60300）、中溫（300600）、高溫（600）三種，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、價格低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于需要定點測溫的溫度自動掌握電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。 熱敏電阻與簡潔的放大電路結(jié)合，就可檢測千分之一度的溫度變化，所以和電子儀表組成測溫計，能完成

5、高精度的溫度測量。一般用途熱敏電阻工作溫度為-55+315，特別低溫?zé)崦綦娮璧墓ぷ鳒囟鹊陀?55，可達-273。 2 熱敏電阻的型號 我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來制定型號，由四部分組成。 第一部分：主稱，用字母'M表示 敏感元件。 其次部分：類別，用字母Z表示正溫度系數(shù)熱敏電阻器，或者用字母F表示負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。 第三部分：用途或特征，用一位數(shù)字（0-9）表示。一般數(shù)字1表示一般用途，2表示穩(wěn)壓用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），3表示微波測量用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），4表示旁熱式（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），5表示測溫用途，6表示控溫用途，7表示消磁用途（正溫度系數(shù)

6、熱敏電阻器），8表示線性型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），9表示恒溫型（正溫度系數(shù)熱敏電阻器），0表示特別型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器） 第四部分：序號，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格、性能。 往往廠家出于區(qū)分本系列產(chǎn)品的特別需要，在序號后加派生序號',由字母、數(shù)字和'-號組合而成。 例： M Z 1 1 序號 一般用途 正溫度系數(shù)熱敏電阻器 敏感元件 3 熱敏電阻器的主要參數(shù) 各種熱敏電阻器的工作條件肯定要在其出廠參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項：標(biāo)稱電阻值、使用環(huán)境溫度（最高工作溫度）、測量功率、額定功率、標(biāo)稱電壓（最大工作電壓）、工作電流、溫度系數(shù)、材料常數(shù)、時間常數(shù)等。其中標(biāo)

7、稱電阻值是在25零功率時的電阻值，實際上總有肯定誤差，應(yīng)在±10%之內(nèi)。一般熱敏電阻的工作溫度范圍較大，可依據(jù)需要從-55到+315選擇，值得留意的是，不同型號熱敏電阻的最高工作溫度差異很大，如MF11片狀負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器為+125，而MF53-1僅為+70，同學(xué)試驗時應(yīng)留意（一般不要超過50）。 4 試驗用熱敏電阻選擇 首選一般用途負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，因它隨溫度變化一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻器易觀看，電阻值連續(xù)下降明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻器，試驗溫度應(yīng)在該元件居里點溫度四周。 例MF11一般負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù)名稱 參數(shù)值 MF11熱敏電阻符號形狀圖 標(biāo)稱

8、阻值（k） 1015 片狀形狀 符號 額定功率 （W） 0.25 材料常數(shù)B范圍（k） 19803630 溫度系數(shù)（10-2/） -（2.234.09） 耗散系數(shù)（mW/） 5 時間常數(shù)（s） 30 最高工作溫度（） 125 粗測熱敏電阻的值，宜選用量程適中且通過熱敏電阻測量電流較小萬用表。若熱敏電阻10k左右，可以選用MF10型萬用表，將其擋位開關(guān)撥到歐姆擋R×100,用鱷魚夾代替表筆分別夾住熱敏電阻的兩引腳。在環(huán)境溫度明顯低于體溫時，讀數(shù)10.2k ,用手捏住熱敏電阻，可看到表針指示的阻值漸漸減小；松開手后，阻值加大，漸漸復(fù)原。這樣的熱敏電阻可以選用（最高工作溫度100左右）。

9、新教材熱敏特性試驗如圖： 應(yīng)將熱敏電阻封裝后再放入水中。最簡潔的封裝是用長電工朔料套管，也可密封于類似的圓珠筆桿內(nèi)。 下面是實測的一組數(shù)據(jù)。 編號 溫度（） 電阻值（k） 1 15 14 R=R0expB（T-1-T0-1）T0=25+273KB:材料及結(jié)構(gòu)常數(shù)（B是溫度的函數(shù)）R0:標(biāo)準(zhǔn)溫度T0時阻值 2 20 11 3 25 9.9 4 30 9.2 5 35 8.5 6 40 7.8 幾種有用測溫傳感器 a空調(diào)內(nèi)專用溫控傳感器：熱敏元件封在銅金屬官中。 b 氣溫測量傳感器 二 光傳感器及光敏元件 光傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件進展快速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。市場出售的有光敏電阻器

10、、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池等。 1 光敏電阻器 光敏電阻器由能透光的半導(dǎo)體光電晶體構(gòu)成 ,因半導(dǎo)體光電晶體成分不同，又分為可見光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化鎵晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當(dāng)敏感波長的光照半導(dǎo)體光電晶體表面，晶體內(nèi)載流子增加，使其電導(dǎo)率增加（即電阻減?。?。 光敏電阻的主要參數(shù)： 光電流 、亮阻：在肯定外加電壓下，當(dāng)有光（100lx照度）照耀時，流過光敏電阻的電流稱光電流；外加電壓與該電流之比為亮阻，一般幾k幾十k。 暗電流、暗阻：在肯定外加電壓下，當(dāng)無光（ 0 lx照度）照耀時，流過光敏電阻的電流稱暗電流；外加電壓與該電流之比為暗阻，

11、一般幾百k幾千k以上。 最大工作電壓：一般幾十伏至上百伏。 環(huán)境溫度：一般-25至 +55，有的型號可以-40至+70。 額定功率（功耗）：光敏電阻的亮電流與外電壓乘積；可有5mW至300mW多種規(guī)格選擇。 光敏電阻的主要參數(shù)還有響應(yīng)時間、靈敏度、光譜響應(yīng)、光照特性、溫度系數(shù)、伏安特性等。 值得留意的是，光照特性（隨光照強度變化的特性）、溫度系數(shù)（隨溫度變化的特性）、伏安特性不是線性的，如以CdS（硫化鎘）光敏電阻的光阻有時隨溫度的增加而增大，有時隨溫度的增加又變小。 硫化鎘光敏電阻器的參數(shù)： 型號規(guī)格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52 環(huán)境溫度（） -40+60

12、 -25+55 -40+70 -40+70 額定功率（mW） 20 10 5 200 亮阻，100lx（k） 2 50 2 2 暗阻， 0lx（M） 1 10 0.2 1 響應(yīng)時間 （ms） 20 20 20 20 最高工作電壓（v） 100 50 20 250 2 光電二極管 和一般二極管相比，除它的管芯也是一個PN結(jié)、具有單向?qū)щ娦阅芡?，其他均差異很大。首先管芯?nèi)的PN結(jié)結(jié)深比較淺（小于1微米），以提高光電轉(zhuǎn)換力量；其次PN結(jié)面積比較大，電極面積則很小，以有利于光敏面多收集光線；第三光電二極管在外觀上都有一個用有機玻璃透鏡密封、能匯聚光線于光敏面的“窗口”;所以光電二極管的靈敏度和響應(yīng)時間

13、遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光敏電阻。 常見的幾種光電二極管及符號如下： 2DU有前極、后極、環(huán)極三個極。其中環(huán)極是為了減小光電二極管的暗電流和增加工作穩(wěn)定性而設(shè)計增加的，應(yīng)用時需要接電源正極。光電二極管的主要參數(shù)有：最高工作電壓（1050V），暗電流（0.051微安），光電流（680微安），光電靈敏度、響應(yīng)時間（幾十ns幾十s）、結(jié)電容和正向壓降等。 光電二極管的優(yōu)點是線性好，響應(yīng)速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點是單獨使用輸出電流（或電壓）很小，需要加放大電路。適用于通訊及光電掌握等電路。 光電二極管的檢測可用萬用表R×1K擋，避光測正向電阻應(yīng)10K200 K，反向應(yīng)，去掉遮光物

14、后向右偏轉(zhuǎn)角越大，靈敏度越高。 光電三極管可以視為一個光電二極管和一個三極管的組合元件，由于具有放大功能，所以其暗電流、光電流和光電靈敏度比光電二極管要高得多，但結(jié)構(gòu)緣由使結(jié)電容加大，響應(yīng)特性變壞。廣泛應(yīng)用于低頻的光電掌握電路。 常見的光電三極管外形及符號如下： 半導(dǎo)體光電器件還有MOS結(jié)構(gòu)，如掃描儀、攝象頭中常用的CCD（電荷耦合器件）就是集成的光電二極管或MOS結(jié)構(gòu)的陣列。 三 氣敏傳感器及氣敏元件 教材僅要求簡潔的熱敏電阻和光敏電阻特性試驗。由于氣體與人類的日常生活親密相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是愛護和改善生態(tài)居住環(huán)境不行缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度

15、達0.81.15 ml/L時，就會消失呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟实葼顟B(tài)，達1.84ml/L時則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危急，因此對一氧化碳檢測必需快而準(zhǔn)。利用SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，通過顆粒超微細(xì)化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒，并以此為基體摻雜肯定催化劑，經(jīng)適當(dāng)燒結(jié)工藝進行表面修飾，制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件，能夠探測0.005%0.5%范圍的CO氣體。還有很多易爆可燃?xì)怏w、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進行探測的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑

16、絲通以電流，保持300400的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動勢。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡潔的特點，應(yīng)用極其廣泛；下面重點介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器及其氣敏元件。 半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減?。籔型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料

17、，屬于N型半導(dǎo)體，在200300溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度削減，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供應(yīng)電子的可燃?xì)怏w（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降?？扇夹詺怏w不存在了，金屬氧化物半導(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值上升到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測可燃?xì)怏w的基本原理。 目前國產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi)；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加

18、熱絲，管外側(cè)有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。 氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流，測量回路電壓，靈敏度，響應(yīng)時間，恢復(fù)時間，標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負(fù)載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于自然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時間短，市場上應(yīng)用廣泛。QM-N5氣敏元件參數(shù)如下：標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓2V,響應(yīng)時間10S,恢復(fù)時間30S,最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K,允許工作條件加熱電壓4.55.5V、測量回路電壓515V、負(fù)載電阻0.