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傳感器的原理
閱讀：4243 發(fā)布時間：2013-8-13什么叫傳感器？從廣義上講，傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成，有的半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器。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①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。②化學類，基于化學反應的原理。③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、熱電偶及半導體熱敏電阻等。以半導體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內，半導體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點，而且制造工藝簡單、價格低廉。
1.半導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，反之為負溫度系數(shù)熱敏電阻。
⑴ 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，利用陶瓷工藝高溫燒結爾成。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（Nb）等以后，變成了半導體材料，被稱半導體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對于導電電子而言，晶粒間界面相當于一個位壘。當溫度低時，由于半導體化鈦酸鋇內電場的作用，導電電子可以很容易越過位壘，所以電阻值較?。划敎囟壬叩骄永稂c溫度（即臨界溫度，此元件的‘溫度控制點’ 一般鈦酸鋇的居里點為120℃）時，內電場受到破壞，不能幫助導電電子越過位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因為這種元件具有未達居里點前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調溫和自動控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無明火，不易燃燒，電壓交、直流3～440V均可，使用壽命長，非常適用于電動機等電器裝置的過熱探測。
⑵ 負溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
負溫度系數(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，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，*類似于鍺、硅晶體材料，體內的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。負溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫（-60～300℃）、中溫（300～600℃）、高溫（>600℃）三種，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應快、壽命長、價格低等優(yōu)點，廣泛應用于需要定點測溫的溫度自動控制電路，如冰箱、空調、溫室等的溫控系統(tǒng)。
熱敏電阻與簡單的放大電路結合，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，能完成高精度的溫度測量。普通用途熱敏電阻工作溫度為-55℃～+315℃，特殊低溫熱敏電阻的工作溫度低于-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準SJ1155-82來制定型號，由四部分組成。
*部分：主稱，用字母‘M’表示 敏感元件。
第二部分：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’表示普通用途，‘2’表示穩(wěn)壓用途（負溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘3’表示微波測量用途（負溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘4’表示旁熱式（負溫度系數(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)熱敏電阻器），‘8’表示線性型（負溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘9’表示恒溫型（正溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘0’表示特殊型（負溫度系數(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)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，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
3.熱敏電阻器的主要參數(shù)
各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其出廠參數(shù)允許范圍之內。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項：標稱電阻值、使用環(huán)境溫度（zui高工作溫度）、測量功率、額定功率、標稱電壓（zui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。其中標稱電阻值是在25℃零功率時的電阻值，實際上總有一定誤差，應在±10%之內。普通熱敏電阻的工作溫度范圍較大，可根據(jù)需要從-55℃到+315℃選擇，值得注意的是，不同型號熱敏電阻的zui高工作溫度差異很大，如MF11片狀負溫度系數(shù)熱敏電阻器為+125℃，而MF53-1僅為+70℃，學生實驗時應注意（一般不要超過50℃）。
4 實驗用熱敏電阻選擇
普通用途負溫度系數(shù)熱敏電阻器，因它隨溫度變化一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻器易觀察，電阻值連續(xù)下降明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻器，實驗溫度應在該元件居里點溫度附近。
例MF11普通負溫度系數(shù)熱敏電阻器參數(shù)
主要技術參數(shù)名稱 參數(shù)值 MF11熱敏電阻符號外形圖
標稱阻值（kΩ） 10～15 片狀外形 符號
額定功率 （W） 0.25
材料常數(shù)B范圍（k） 1980～3630
溫度系數(shù)（10-2/℃） -（2.23～4.09）
耗散系數(shù)（mW/℃） ≥5
時間常數(shù)（s） ≤30
zui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10kΩ左右，可以選用MF10型萬用表，將其擋位開關撥到歐姆擋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逐漸減??；松開手后，阻值加大，逐漸復原。這樣的熱敏電阻可以選用（zui高工作溫度100℃左右）。
幾種實用測溫傳感器
a空調內溫控傳感器：熱敏元件封在銅金屬中。
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。目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應用廣泛。市場出售的有光敏電阻器、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體光電晶體構成 ，因半導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）。當敏感波長的光照半導體光電晶體表面，晶體內載流子增加，使其電導率增加（即電阻減小）。
光敏電阻的主要參數(shù)：
◆光電流 、亮阻：在一定外加電壓下，當有光（100lx照度）照射時，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kΩ～幾十kΩ。
◆暗電流、暗阻：在一定外加電壓下，當無光（ 0 lx照度）照射時，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，一般幾百kΩ～幾千kΩ以上。
◆zui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)還有響應時間、靈敏度、光譜響應、光照特性、溫度系數(shù)、伏安特性等。
值得注意的是，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 -25～+55 -40～+70 -40～+70
額定功率（mW） 20 10 5 200
亮阻，100lx（kΩ） ≤2 ≤50 ≤2 ≤2
暗阻， 0lx（MΩ） ≥1 ≥10 ≥0.2 ≥1
響應時間 （ms） ≤20 ≤20 ≤20 ≤20
zui高工作電壓（v） 100 50 20 250
2 光電二極管
和普通二極管相比，除它的管芯也是一個PN結、具有單向導電性能外，其他均差異很大。首先管芯內的PN結結深比較淺（小于1微米），以提高光電轉換能力；第二PN結面積比較大，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時間遠遠優(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)定性而設計增加的，應用時需要接電源正極。光電二極管的主要參數(shù)有：zui高工作電壓（10～50V）,暗電流（≤0.05～1微安），光電流（＞6～80微安），光電靈敏度、響應時間（幾十ns～幾十μs）、結電容和正向壓降等。
光電二極管的優(yōu)點是線性好，響應速度快，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。適用于通訊及光電控制等電路。
光電二極管的檢測可用萬用表R×1K擋，避光測正向電阻應10KΩ～200 KΩ，反向應∞，去掉遮光物后向右偏轉角越大，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，但結構原因使結電容加大，響應特性變壞。廣泛應用于低頻的光電控制電路。
半導體光電器件還有MOS結構，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結構的陣列。
三 氣敏傳感器及氣敏元件
教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實驗。由于氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境*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達0.8～1.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥等狀態(tài)，達1.84ml/L時則有在幾分鐘內死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。利用SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經(jīng)適當燒結工藝進行表面修飾，制成旁熱式燒結型CO敏感元件，能夠探測0.005%～0.5%范圍的CO氣體。還有許多易爆可燃氣體、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、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。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），使用時對鉑絲通以電流，保持300℃～400℃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。電化學氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質，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。半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；下面重點介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件。
半導體氣敏元件有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??；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于N型半導體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的可燃氣體（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導體表面；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，從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。
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在金屬氧化物半導體管芯內；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內穿加熱絲，管外側有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫燒結而成。
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，響應時間，恢復時間，標定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、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型半導體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應和恢復時間短，市場上應用廣泛。QM-N5氣敏元件參數(shù)如下：標定氣體（0.1%丁烷氣體，*工作條件）中電壓≥2V，響應時間≤10S，恢復時間≤30S，*工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.5～5.5V、測量回路電壓5～15V、負載電阻0.5～2.2K。下圖為氣敏元件的簡單測試電路（組成傳感器），電壓表指針變化越大，靈敏度越高；只要加一簡單電路可實現(xiàn)報警。常見的氣敏元件還有MQ-31（于檢測CO），QM-J1酒敏元件等。
四 力敏傳感器和力敏元件
力敏傳感器的種類甚多，傳統(tǒng)的測量方法是利用彈性材料的形變和位移來表示。隨著微電子技術的發(fā)展，利用半導體材料的壓阻效應（即對其某一方向施加壓力，其電阻率就發(fā)生變化）和良好的彈性，已經(jīng)研制出體積小、重量輕、靈敏度高的力敏傳感器，廣泛用于壓力、加速度等物理力學量的測量。
五 磁敏傳感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍爾器件（基于霍爾效應）、磁阻器件（基于磁阻效應：外加磁場使半導體的電阻隨磁場的增大而增加。）、磁敏二極管和三極管等。以磁敏元件為基礎的磁敏傳感器在一些電、磁學量和力學量的測量中廣泛應用。
在一定意義上傳感器與人的感官有對應的關系，其感知能力已遠超過人的感官。例如利用目標自身紅外輻射進行觀察的紅外成像系統(tǒng)（夜像儀），黑夜中可1000米發(fā)現(xiàn)人，2000米發(fā)現(xiàn)車輛；熱像儀的核心部件是紅外傳感器。1991年海灣戰(zhàn)爭中，伊拉克的坦克配置的夜視儀探測距離僅800米，還不及美英聯(lián)軍的一半，黑暗中被打得慘敗是必然的。目前世界各國都將傳感器技術列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術的重點。為了大幅度提供傳感器的性能，將不斷采用新結構、新材料和新工藝，向小型化、集成化和智能的方向發(fā)展。