物理教材中涉及的傳感器件知識(shí)簡(jiǎn)介

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2、換成可用信號(hào)的裝置；簡(jiǎn)單說(shuō)傳感器是將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。所以它由敏感元器件（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(hào)，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(lái)講，可分為：（1）物理類(lèi)，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。（2）化學(xué)類(lèi)，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。（3）生物類(lèi)，基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)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(xiàn)敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(lèi)。下面對(duì)常用的熱敏、光敏和氣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

3、要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場(chǎng)上銷(xiāo)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(cè)元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛，這是因?yàn)樵谠试S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(diǎn)，而且制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)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(lèi)，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)而成。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

4、了半導(dǎo)體材料，被稱(chēng)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(duì)于導(dǎo)電電子而言，晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)位壘。當(dāng)溫度低時(shí)，由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場(chǎng)的作用，導(dǎo)電電子可以很容易越過(guò)位壘，所以電阻值較??；當(dāng)溫度升高到居里點(diǎn)溫度（即臨界溫度，此元件的溫度控制點(diǎn) 一般鈦酸鋇的居里點(diǎn)為120）時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)受到破壞，不能幫助導(dǎo)電電子越過(guò)位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因?yàn)檫@種元件具有未達(dá)居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調(diào)溫和自動(dòng)控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無(wú)明火，不易燃燒，電壓交、直流3440V均可，使用壽命長(zhǎng)，非常適用于電動(dòng)機(jī)等電器裝置的過(guò)熱探測(cè)。 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理負(fù)溫度

5、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(dǎo)體性質(zhì)，完全類(lèi)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；溫度升高，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(lèi)型很多，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(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于需要定點(diǎn)測(cè)溫的溫度自動(dòng)控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。熱敏電阻與簡(jiǎn)單的放大電路結(jié)合，就可檢測(cè)千分之一度的溫度變化，所以和電子儀表組成測(cè)溫計(jì)，能完成高精度的溫度測(cè)量。普通

6、用途熱敏電阻工作溫度為-55+315，特殊低溫?zé)崦綦娮璧墓ぷ鳒囟鹊陀?55，可達(dá)-273。2 熱敏電阻的型號(hào)我國(guó)產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來(lái)制定型號(hào)，由四部分組成：第一部分：主稱(chēng)，用字母M表示 敏感元件。第二部分：類(lèi)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表示普通用途，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(cè)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(cè)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(xiàn)性型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏

7、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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）第四部分：序號(hào)，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格、性能。往往廠(chǎng)家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號(hào)后加派生序號(hào)，由字母、數(shù)字和-號(hào)組合而成。例： M Z 1 1 序號(hào) 普通用途 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一定要在其出廠(chǎng)參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項(xiàng)：標(biāo)稱(chēng)電阻值、使用環(huán)境溫度（最高工作溫度）、測(cè)量功率、額定功率、標(biāo)稱(chēng)電壓（最大工作電壓）、工作電流、溫度系數(shù)、材料常數(shù)、時(shí)間常數(shù)等。其中標(biāo)稱(chēng)電阻值是在25零功率時(shí)的電阻值，實(shí)際上總有一定誤差，應(yīng)在±1

8、0%之內(nèi)。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(hào)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，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意。4 實(shí)驗(yàn)用熱敏電阻選擇首選普通用途負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，因它的線(xiàn)性一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻器好，隨溫度連續(xù)變化明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻器，實(shí)驗(yàn)溫度應(yīng)在該元件居里點(diǎn)溫度附近。例如表1：MF11普通負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值MF11熱敏電阻符號(hào)外形圖標(biāo)稱(chēng)阻值（k）1015 片狀外形 符號(hào)額定功率 （W）0.25材料常數(shù)B范圍（k）19803630溫度系數(shù)（1

9、0-2/）-（2.234.09）耗散系數(shù)（mW/）5時(shí)間常數(shù)（s）30最高工作溫度（）125粗測(cè)熱敏電阻的值，宜選用量程適中且通過(guò)熱敏電阻測(cè)量電流較小萬(wàn)用表。若熱敏電阻10k左右，可以選用MF10型萬(wàn)用表，將其擋位開(kāi)關(guān)撥到歐姆擋R×100，用鱷魚(yú)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(shí)，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(kāi)手后，阻值加大，逐漸復(fù)原。這樣的熱敏電阻可以選用（最高工作溫度100左右）。圖 1新教材熱敏特性實(shí)驗(yàn)如圖1所示：應(yīng)將熱敏電阻封裝后再放入水中。最簡(jiǎn)單的封裝是用長(zhǎng)電工朔料套管，也可密封于類(lèi)似的圓珠筆桿內(nèi)。實(shí)測(cè)的一組

10、數(shù)據(jù)如下表所示。編號(hào)溫度（）電阻值（k）11510222010053259943097553596640946下面是幾種實(shí)用測(cè)溫傳感器， 如圖2和圖3所示：圖 2圖 3二、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(yīng)用廣泛。市場(chǎng)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(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(jiàn)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(zhǎng)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

11、阻的主要參數(shù)：光電流 、亮阻：在一定外加電壓下，當(dāng)有光（100lx照度）照射時(shí)，流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)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：在一定外加電壓下，當(dāng)無(wú)光（ 0 lx照度）照射時(shí)，流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)暗電流；外加電壓與該電流之比為暗阻，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(hào)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(shí)間、靈敏度、光譜響應(yīng)、光照特性、溫度系數(shù)、伏安特性等。值得注意的是，光照特性（隨光照強(qiáng)度變化的特性）

12、、溫度系數(shù)（隨溫度變化的特性）、伏安特性不是線(xiàn)性的，如以CdS（硫化鎘）光敏電阻的光阻有時(shí)隨溫度的增加而增大，有時(shí)隨溫度的增加又變小。例如表2：硫化鎘光敏電阻器的參數(shù)型號(hào)規(guī)格MG41-22MG42-16MG44-02MG45-52環(huán)境溫度（）-40+60-25+55-40+70-40+70額定功率（mW）20105200亮阻，100lx（k）25022暗阻， 0lx（M）1100.21響應(yīng)時(shí)間 （ms）20202020 最高工作電壓（v）1005020 250部分類(lèi)型CdS光敏電阻符號(hào)及外形圖2 光電二極管和普通二極管相比，除它的管芯也是一個(gè)PN結(jié)、具有單向?qū)щ娦阅芡?，其他均差異很大。首先管?/p>

13、內(nèi)的PN結(jié)結(jié)深比較淺（小于1微米），以提高光電轉(zhuǎn)換能力；第二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(xiàn)；第三光電二極管在外觀(guān)上都有一個(gè)用有機(jī)玻璃透鏡密封、能匯聚光線(xiàn)于光敏面的“窗口”，如圖4所示 ；所以光電二極管的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光敏電阻。圖 4常見(jiàn)的幾種光電二極管及符號(hào)如圖5，圖6所示。圖 5圖 62DU有前極、后極、環(huán)極三個(gè)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(jì)增加的，應(yīng)用時(shí)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(shí)間（幾十ns幾十s）、結(jié)電容和正向壓

14、降等。光電二極管的優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)性好，響應(yīng)速度快，對(duì)寬范圍波長(zhǎng)的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點(diǎn)是單獨(dú)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(cè)可用萬(wàn)用表R×1K擋，避光測(cè)正向電阻應(yīng)10K200 K，反向應(yīng)，去掉遮光物后向右偏轉(zhuǎn)角越大，靈敏度越高。光電三極管可以視為一個(gè)光電二極管和一個(gè)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)原因使結(jié)電容加大，響應(yīng)特性變壞。廣泛應(yīng)用于低頻的光電控制電路。常見(jiàn)的光電三極管形狀及符號(hào)如圖7所示。圖 7三、氣敏傳感器及氣敏元件教材僅要求簡(jiǎn)單的熱敏電阻和光敏電阻特性

15、實(shí)驗(yàn)。由于氣體與人類(lèi)的日常生活密切相關(guān)，對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，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達(dá)0.81.15 ml/L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟实葼顟B(tài)，達(dá)1.84ml/L時(shí)則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險(xiǎn)，因此對(duì)一氧化碳檢測(cè)必須快而準(zhǔn)。利用SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，通過(guò)顆粒超微細(xì)化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經(jīng)適當(dāng)燒結(jié)工藝進(jìn)行表面修飾，制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件，能夠探測(cè)0.005%0.5%范圍的CO氣體。還有許多易爆可燃?xì)怏w、酒精氣體、汽車(chē)尾氣等有毒氣體的進(jìn)行探測(cè)的傳感器。常用的主要

16、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(cè)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(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)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(jī)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(dòng)勢(shì)。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(jiǎn)單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛；下面重點(diǎn)介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器

17、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(cè)時(shí)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，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)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w（如CO等）時(shí)，原來(lái)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(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢

18、測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。目前國(guó)產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測(cè)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)穿加熱絲，管外側(cè)有兩個(gè)測(cè)量極，測(cè)量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。圖 8氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流，測(cè)量回路電壓，靈敏度，響應(yīng)時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間，標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負(fù)載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類(lèi)氣體、烯類(lèi)氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè)，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(shí)間短，市場(chǎng)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(shí)間10S，恢復(fù)時(shí)間30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測(cè)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(cè)量回路電壓515V、負(fù)載電阻0.52.2K。圖8為氣敏元件的簡(jiǎn)單測(cè)試電路（組成傳感器），電壓表指針變化越大