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1、第2章 電阻式傳感器 電阻式傳感器就是利用一定的方式將被測量的變化轉(zhuǎn)化為敏感元件電阻值的變化，進(jìn)而通過電路變成電壓或電流信號輸出的一類傳感器。可用于各種機(jī)械量和熱工量的檢測，它結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本低廉，因此，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。 目前，常用的電阻傳感器主要有電阻應(yīng)變片、熱電阻、光敏電阻、氣敏電阻和濕敏電阻等幾大類。 2.1 電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)原理制成的、應(yīng)用最為廣泛的電阻式傳感器，主要用于機(jī)械量的檢測中，如力、壓力等物理量的檢測。2.1.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)2.1.1.1 概念導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電

2、阻應(yīng)變效應(yīng)。2.1.1.2 電阻的應(yīng)變靈敏系數(shù)根據(jù)電阻的定義式:R= ；當(dāng)有變化量、l、A時，其相對變化率為： （2-1-1）對于直徑為d的圓柱形截面電阻絲，因為A=d2/4；故：A=A-A=（d-d）2-d2/4=2d/d (略去高階無窮?。?。再引進(jìn)力學(xué)中的泊松比 ；故 ；最后得： ； K0：應(yīng)變靈敏系數(shù)。其中：（1+2）是由幾何尺寸改變引起的，金屬導(dǎo)體以此為主； 表示是由材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化，半導(dǎo)體材料以此為主。2.1.2 電阻應(yīng)變片的類型及常用材料 根據(jù)應(yīng)變片的質(zhì)地，主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。2.1.2.1 金屬電阻應(yīng)變片 此類應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式有絲式、箔式和薄膜

3、式三種。 1) 絲式應(yīng)變片 如圖2.1.1a所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時只要將應(yīng)變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低，強(qiáng)度高，但允許通過的電流較小，測量精度較低，適用于測量要求不很高的場合使用。 2) 箔式應(yīng)變片 該類應(yīng)變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在0.003-0.01mm之間，它的結(jié)構(gòu)如圖2.1.1b所示。箔式應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片比較其面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形

4、狀，適合批量生產(chǎn)。 3)金屬薄膜應(yīng)變片它是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 2.1.2.2 半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。 對一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片有以下幾種類型： 1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)如圖2.1.2所示。 2）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變

5、片 這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.1.3。 3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖2.1.4為擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片示意圖。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。 2.1.2.3 應(yīng)變片的常用材料及粘貼技術(shù) 1) 常用材料 I. 4YC3：4YC3是Fe-Cr-Al系550高應(yīng)變電阻合金，其電阻率高，電阻溫度系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，主要用于工作溫度550的電阻應(yīng)變計。 II. 4YC4：4YC4是Fe-Cr-Al系750高溫應(yīng)變電阻合金，其

6、電阻率高、電阻溫度系數(shù)低，尤其是在600以上有較好的熱輸入和重現(xiàn)性低的零飄。合金主要用作工作溫度750的電阻應(yīng)變計，用于大型汽輪機(jī)、航空、原子反應(yīng)堆等領(lǐng)域中靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測量。 III. 4YC8：4YC8銅鎳錳鈷合金精密箔材，專用于高精度箔式電阻應(yīng)變計，其溫度自補(bǔ)償性能及其它技術(shù)指標(biāo)符合電阻應(yīng)變計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級產(chǎn)品質(zhì)量要求。箔材平均熱輸出系數(shù)ct600）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控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。2.2.2.3 熱敏電阻的型號表示 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

7、一部分：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(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)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表示特殊型（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)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在

8、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表示序號為1的正溫度系數(shù)型普通用途熱敏電阻敏感元件。 2.2.2.4 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(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)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(yīng)在 10%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)

9、熱敏電阻器為+125，而MF53-1僅為+70，學(xué)生實驗時應(yīng)注意（一般不要超過50）。例如：MZ73A-1（消磁用正溫度系數(shù)熱敏電阻器）MF53-1（測溫用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）M敏感電阻器 M敏感電阻器Z正溫度系數(shù)熱敏電阻器 F負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器7消磁用 5測溫用3A-1序號 3-1序號 2.2.2.5 熱敏電阻選擇 首選普通用途負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，因它隨溫度變化一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻易觀察，電阻值連續(xù)下降明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻，溫度應(yīng)在該元件居里點溫度附近。 例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 參數(shù)值 標(biāo)稱阻值（k） 1015 片狀外形 符號 額定功率 （W

10、） 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 2.2.2.6 熱敏電阻的應(yīng)用 熱敏電阻與簡單的放大電路結(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?zé)崦綦娮璧墓ぷ鳒囟鹊陀?55，可達(dá)-273。 熱敏電阻幾乎在每一個部門都有使用，如家用電器、制造工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、運輸、通信、保護(hù)報警裝置和科研等，下面僅舉幾個例子，介紹熱敏電阻的應(yīng)用情況。 1) MF58型高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 .

11、特點：該傳感器具有穩(wěn)定性好,可靠性高； 阻值范圍寬:(1-1000)k； 阻值精度高； 由于玻璃封裝,可在高溫和高濕等惡劣環(huán)境下使用； 體積小,重量輕、結(jié)構(gòu)堅固，便于自動化安裝（在印制線路板上）； 熱感應(yīng)速度快和靈敏度高等優(yōu)點。 .主要技術(shù)參數(shù)：額定零功率電阻值范圍（R25）：1-1000k； R25允許偏差:1%、2%、3%、5%、10%； B值范圍（B25/85）：1960-4480 K； B值允許偏差：0.5%、1%、 2%； 耗散系數(shù)2mW/(在靜止空氣中)；熱時間常數(shù):20s(在靜止空氣中)； 工作溫度范圍:-55+300；額定功率:500mW；電阻-溫度特性見表2-2。 .外形尺寸

12、（mm）見圖2.2.4。 .應(yīng)用場合：家用電器如空調(diào)機(jī)、微波爐、電風(fēng)扇、電取暖爐等的溫度控制與溫度檢測；辦公自動化設(shè)備如復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、電子騰印機(jī)的溫度檢測或溫度補(bǔ)償；工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保、氣象、食品加工設(shè)備的溫度控制與檢測；液面指示和流量測量；手提電話機(jī)電源；儀表線圈，集成電路，石英晶體振蕩器和熱電偶的溫度補(bǔ)償?shù)仍S多地方。 圖2.2.4 MF58型高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的外形結(jié)構(gòu) 2）NSP功率型NTC熱敏電阻 .典型應(yīng)用電路如圖2.2.5所示： .率型NTC熱敏電阻器的選用原則：電阻器的最大工作電流實際電源回路的工作電流； 功率型電阻器的標(biāo)稱電阻值 式中E為線路電壓，Im為浪涌電流。對于轉(zhuǎn)換

13、電源、逆變電器、開關(guān)電源、UPS電源、Im=100倍工作電流；對于燈絲、加熱器等回路 Im=30倍工作電流；B值越大、殘余電阻越小、工作時溫升越小。一般,時間常數(shù)與耗散系數(shù)的乘積愈大，則表示電阻器的熱容量愈大，電阻器抑制浪涌電流的能力亦愈強(qiáng)。 圖2.2.5 NTC熱敏電阻的典型應(yīng)用電路 2.3 壓敏電阻 固態(tài)壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的新型傳感器。它具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、體積小和便于批量生產(chǎn)等特點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。由于它克服了半導(dǎo)體應(yīng)變片存在的問題并能將電阻條、補(bǔ)償線路、信號轉(zhuǎn)換電路集成在一塊硅片上，甚至將計算處理電路與傳感

14、器集成在一起，制成了智能型傳感器，這是一種具有發(fā)展前途的傳感器。 2.3.1 壓敏電阻的工作原理 單晶硅材料在受到力的作用后，其電阻率將隨作用力而變化這種物理現(xiàn)象稱為固態(tài)壓阻式傳感器。 半導(dǎo)體材料電阻的變化率RR主要由引起，即取決辛半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，所以可以用下式表示 (2-3-1)式中為壓阻系數(shù)；為就應(yīng)力；為半導(dǎo)體材料的電阻率。 在彈性變形限度內(nèi)，硅的壓阻效應(yīng)是可逆的，即在應(yīng)力作用下硅的電阻發(fā)生變化，而當(dāng)應(yīng)力除去時，硅的電阻又恢復(fù)到原來的數(shù)值。硅的壓阻效應(yīng)因晶體的取向不同而不同。固態(tài)壓阻式傳感器的核心是硅膜片。通常多選用N型硅晶片作硅膜片，在其上擴(kuò)散P型雜質(zhì)，形成四個阻值相等的電阻條。圖

15、2.3.1是硅膜片芯體的結(jié)構(gòu)圖。將芯片封接在傳感器的殼體內(nèi)，再聯(lián)接出電極引線就制成了典型的壓阻式傳感器。 2.3.2 壓敏電阻的型號 壓敏電阻的型號由四部分組成，第一部分用字母 “M” 表示主稱為敏感電阻器。第二部分用字母 “Y” 表示敏感電阻器為壓敏電阻器。第三部分用字母表示壓敏電阻器的用途的特征。 第四部分用數(shù)字表示序號，有的在序號的后面還標(biāo)有標(biāo)稱電壓、通流容量或電阻體直徑、電壓誤差、標(biāo)稱電壓等。各部分代號及含義見表2-3。 例如： MYL1-1（防雷用壓敏電阻器） MY31-270/3（270V/3kA普通壓敏電阻器） M敏感電阻器 M敏感電阻器 Y壓敏電阻器 Y壓敏電阻器 L防雷用 3

16、1序號 1-1序號 270標(biāo)稱電壓為270V 3通流容量為3kA 2.3.3 壓敏電阻的應(yīng)用 由于壓敏電阻具有頻率響應(yīng)高、體積小、精度高、靈敏度高等優(yōu)點，所以它在航空、航海、石油、化工、動力機(jī)械、兵器工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 在機(jī)械工業(yè)中，可用于測量冷凍機(jī)、空調(diào)機(jī)、空氣壓縮機(jī)的壓力和氣流流速，以監(jiān)測機(jī)器的工作狀態(tài)。 在航空工業(yè)上，用來測量飛機(jī)發(fā)動機(jī)的中心壓力。在進(jìn)行飛機(jī)風(fēng)洞模型溯中，可以采用微型壓阻式傳感器安裝在模型上，以取得準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。 在兵器工業(yè)上，測量槍炮膛內(nèi)的壓力，也可對爆炸壓力及沖擊波進(jìn)行測量。還廣泛用于醫(yī)療事業(yè)中，目前已有各種微型傳感器用來測量心血管、顱內(nèi)、尿道、眼

17、球內(nèi)的壓力。 隨著微電子技術(shù)以及電子計算機(jī)的發(fā)展，固態(tài)壓阻式傳感器的應(yīng)用將會越采越廣泛。2.3.3.1 用于壓力測量 固態(tài)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2.3.2所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個壓力腔。一個是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常和大氣相通。 當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點存在應(yīng)力。膜片上的四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出的電壓與膜片兩邊壓力差成正比。 下面是Kulite HKM-375固態(tài)壓阻式壓力傳感器的有關(guān)參數(shù)： 量程：0.22450kgcm2； 供電電源；10V；輸出電壓：110mV； 重復(fù)性誤差：0.25；非線性誤差，土1；溫度范用：-20

18、120；固有頻率：50395kHz；電橋阻抗，輸入650、輸出50。 2.3.3.2 用于加速度檢測 壓阻式加速度傳感器，它采用硅懸臂梁結(jié)構(gòu)。在硅懸臂梁的自由端裝有敏感質(zhì)量塊，在梁的根部，擴(kuò)散四個性能一致的電阻，見圖2.3.4。 當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時，將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力，使懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力。這時硅梁上四個電阻條的阻值發(fā)生變化，使電橋產(chǎn)生不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。 以下所列為Kulite GAE813固態(tài)壓阻式加速度計的有關(guān)參數(shù)：量程10100g；靈敏度：15V/g；非線性誤差：土1；溫度范圍：-40一+200；固有頻率：10002

19、000Hz。 2.4 氣敏電阻 在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活中，人們往往會接觸到各種各樣的氣體，需要對它們進(jìn)行檢測和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測；煤氣泄漏：火災(zāi)報警；燃燒情況的檢測與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。2.4.1 氣敏電阻的工作原理及其特性 氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。 常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化

20、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(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、使用簡單的特點，應(yīng)用極其廣泛；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

21、氣體濃度的增大而減小；P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)?體（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，使電阻值升高到初始狀態(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

22、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)；另一種是旁熱式，這種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。 以SnO2氣敏元件為例，它是由0.1-10的晶體集合而成，這種晶體是作為N型半導(dǎo)體而工作的。在正常情況下，是處于氧離子缺位的狀態(tài)。當(dāng)遇到離解能較小且易于失去電子的可燃性氣體分子時，電子從氣體分子向半導(dǎo)體遷移，半導(dǎo)體的載流子濃度增加，因此電導(dǎo)率增加。而對于P型半導(dǎo)體來說，它的晶格是陽離子缺位狀態(tài)，當(dāng)遇到可燃性氣體時其電導(dǎo)率則減小。 氣敏電阻的溫度特性如圖2.4.1所示，圖中縱坐標(biāo)為靈敏度，即由于電導(dǎo)率的變化所引起

23、在負(fù)載上所得到的值號電壓。由曲線可以看出，SnO2在室溫下雖能吸附氣體，但其電導(dǎo)率變化 不大。但當(dāng)溫度增加后，電導(dǎo)率就發(fā)生較大的變化，因此氣敏元件在使用時需要加溫。 此外，在氣敏元件的材料中加入微量的鉛、鉑、金、銀等元素以及一些金屬鹽類催化劑可以獲得低溫時的靈敏度，也可增強(qiáng)對氣體種類的選擇性。 2.4.2 常用的氣敏電阻 氣敏電阻根據(jù)加熱的方式可分為直熱式和旁熱式兩種，直熱式消耗功率大，穩(wěn)定性較差，故應(yīng)用逐漸減少。旁熱式性能穩(wěn)定，消耗功率小，其結(jié)構(gòu)上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆，因此安全可靠，其應(yīng)用面較廣。2.4.2.1 氧化鋅系氣敏電阻 ZnO是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，也是一種應(yīng)用較廣

24、泛的氣敏器件。通過摻雜而獲得不同氣體的選擇性，如摻鉑可對異丁烷、丙烷、乙烷等氣體有較高的靈敏度，而摻鈀則對氫、一氧化碳、甲烷，煙霧等有較高的靈敏度。這種氣敏元件的結(jié)構(gòu)特點是：在圓形基板上涂敷ZnO主體成分，當(dāng)中加以隔膜層與催化劑分成兩層而制成。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達(dá)0.81.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟实葼顟B(tài)，達(dá)1.84ml/L時則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準(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

25、夠探測0.005%0.5%范圍的CO氣體。2.4.2.2 氧化鐵系氣敏電阻 當(dāng)還原性氣體與多孔的接觸時，氣敏電阻的晶粒表面受到還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)椋潆娮璐杆俳档?。這種敏感元件用于檢測烷類氣體特別靈敏。 2.4.2.3 型號命名方式 氣敏電阻器的型號命名由三部分組成，各部分的含義見表2-4。 第一部分用字母表示主稱。第二部分用字母表示用途或特征。第三部分用數(shù)字表示產(chǎn)品序號。 2.4.3 氣敏電阻的應(yīng)用 氣敏電阻應(yīng)用較廣泛的是用于防災(zāi)報警，如可制成液化石油氣、天燃?xì)?、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報警器。也可用于對大氣污染進(jìn)行監(jiān)測以及在醫(yī)療上用于對O2、CO2等氣體的測量。生活中則可用于空調(diào)

26、機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等方面。 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。下面是兩類典型氣敏電阻的基本情況：2.4.3.1 MQ-N5型氣敏元件 1) 原理 QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。 2) 特點 用于可燃性氣體的檢測（CH4、C4H10、H2等）；靈敏度高；響應(yīng)速度快；輸出信號大；壽命長，工作穩(wěn)定可靠。 3) 性能指標(biāo) 具體指標(biāo)見表2-5所示：2.4.3.2 QM-J3型半導(dǎo)體氣敏元件 1) 工作

27、原理 QM-J3型半導(dǎo)體氣敏元件是以金屬氧化物ZnSnO3為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。 2) 特點 用于乙醇、酒精等有機(jī)液體蒸氣的檢測；對汽油蒸汽有抗干擾能力；靈敏度高；響應(yīng)速度快；壽命長，工作穩(wěn)定可靠。 3) 技術(shù)指標(biāo) 具體指標(biāo)見表2-6所示： 2.4.3.3 自動空氣清新器 1)基本原理 這個自動空氣清新器能在室內(nèi)空氣污濁或有害氣體達(dá)到一定濃度時，自動產(chǎn)生負(fù)氧離子，保持空氣清新，工作原理電路見圖2.4.2。 圖4.2.2 空氣自動清新器電路原理圖 電路分為兩部分，以QMN5為中心元件的電路組成空氣檢測開關(guān)電路，它可以檢測可燃?xì)?/p>

28、體。當(dāng)室內(nèi)的有害氣體達(dá)到一定濃度時，由于B點電位升高使VT1飽和導(dǎo)通，起到了檢測開關(guān)的作用。Rt為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，用來補(bǔ)償QMN5由于溫度變化引起的偏差。以TWH8751為中心器件的電路組成負(fù)氧離子發(fā)生器，其振蕩頻率約為1KHz，在T2次級可得到5kV左右的高壓。放電端采用開放式，大大提高了負(fù)氧離子的濃度，減小了臭氧的濃度，使到達(dá)外面的負(fù)氧離 子增加，TWH8751的腳即同相輸入端為高電位時，振蕩器停振，在正常室內(nèi)環(huán)境下，A、B之間電阻很大，B點電位很低，VT1截止，TWH8751的 腳為高電位，振蕩器不工作，沒有負(fù)離子產(chǎn)生；當(dāng)室內(nèi)的有害氣體濃度超過了RP設(shè)定的臨界值，VT1飽和導(dǎo)通，TW

29、H8751的腳呈低電位，振蕩器起 振，產(chǎn)生負(fù)氧離子。在一定程度上負(fù)離子可以消除室內(nèi)的煙霧，達(dá)到清新空氣利于身體健康的目的。 2) 元器件選擇與制作 元器件清單見表2-7。 T2用14吋行輸出變壓器改制，其高壓包不動，將低壓繞組線圈全部拆除，用0.6mm漆包線重繞45匝。其它元器件無特殊要求。放電端子用大頭針做 成，在長170mm、寬40mm的敷銅板上鉆三排眼，每排16個，均為1mm。將大頭針一一插入孔中并焊牢，要使焊點圓滑，不能有毛刺。挑選大頭針時 要注意長短一致，且尖頭越尖越好。整機(jī)裝入一個18011080（mm3）的ABS工程塑料盒中。使用時，可調(diào)節(jié)RP旋鈕以使整機(jī)有合適的靈敏度。將本裝置

30、放常抽煙的地方如茶幾、寫字臺上，對于冬天室內(nèi)生火的家庭，晚上可將它放在床頭，保持睡眠時的空氣清新。 2.5 濕敏電阻 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，纖維、造紙、電子、建筑、食品、醫(yī)療等部門提出了高精度高可靠性測量和控制濕度的要求。因此，各種濕敏元件不斷出現(xiàn)。利用濕敏電阻進(jìn)行濕度測量和控制具有靈敏度高、體積小、壽命長、不需維護(hù)、可以進(jìn)行遙測和集中控制等優(yōu)點。濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。 2.5.1 濕敏電阻型號命名方法 濕敏電阻的型號可分為三個部分，第一部分用字母表示主稱；第二部分用字母表示用途或特征；第三部分用數(shù)字表示序號，各部分的含義見表8。 例

31、如：MS01-A（通用型號濕敏電阻器）M敏感電阻器；S濕敏電阻器；01-A序號2.5.2 常見類型及其應(yīng)用 2.5.2.1 半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件 鉻酸鎂-二氧化鈦陶瓷濕敏元件是較常用的一種濕度傳感器，它是由MgCr2O4-TiO2固熔體組成的多孔性半導(dǎo)體陶瓷。這種材料的表面電阻值能在很寬的范圍內(nèi)隨濕度的增加而變小，即使在高濕條件下，對其進(jìn)行多次反復(fù)的熱清洗，性能仍不改變。該元件采用了MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷，電極材料二氧化釕通過絲網(wǎng)印制到陶瓷片的兩面，在高溫?zé)Y(jié)下形成多孔性電極。在陶瓷片周圍裝置有電阻絲繞制的加熱器，以450、1min對陶瓷表面進(jìn)行熱清洗。濕敏電阻的電阻-相對濕度特性曲線

32、如圖2.5.1所示。 圖2.5.2是這種濕敏元件應(yīng)用的一種測量電路。圖中R為濕敏電阻，為溫度補(bǔ)償用熱敏電阻。為了使檢測濕度的靈敏度最大，可使R=。這時傳感器的輸出電壓通過跟隨器并經(jīng)整流和濾波后，一方面送入比較器1與參考電壓U1比較，其輸出信號控制某一濕度；另一方面送到比較器2與參考電壓U2比較，其輸出信號控制加熱電路，以便按一定時間加熱清洗。2.5.2.2 氯化鋰濕敏電阻 圖2.5.3是氯化鋰濕敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。它是在聚碳酸酯基片上制成一對梳狀金電極，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化鋰膠狀溶液，其表面再涂上一層多孔性保護(hù)膜而成。氯化鋰是潮解性鹽，這種電解質(zhì)溶液形成的薄膜能隨著空氣中水蒸汽的變化而吸濕或

33、脫濕。感濕膜的電阻隨空氣相對濕度變化而變化，當(dāng)空氣中濕度增加時，感濕膜中鹽的濃度降低。 圖2.5.4是一種相對濕度計的電原理框圖。測量探頭由氯化鋰濕敏電阻和熱敏電阻組成，并通過三線電纜接至電橋上。熱敏電阻是作為溫度補(bǔ)償用，測量時先對指示裝置的溫度補(bǔ)償進(jìn)行適當(dāng)修正，將電橋校正至零點，就可以從刻度盤上直接讀出相對濕度值。電橋由分壓電阻組成兩個臂，另外，和或和組成另外兩個臂。電橋由振蕩器供給交流電壓。電橋的輸出經(jīng)放大器放大后，通過整流電路送給電流表指示。 2.5.2.3 有機(jī)高分子膜濕敏電阻 有機(jī)高分子膜濕敏電阻是在氧化鋁等陶瓷基板上設(shè)置梳狀型電極，然后在其表面涂以具有感濕性能，又有導(dǎo)電性能的高分子

34、材料的薄膜，再涂復(fù)一層多孔質(zhì)的高分子膜保護(hù)層。這種濕敏元件是利用水蒸汽附著于感濕薄膜上，電阻值與相對濕度相對應(yīng)這一性質(zhì)。由于使用了贏分子材料，所以適用于高溫氣體中濕牢的測量。圖2.5.5是三氧化二鐵-聚乙二醇高分子膜濕敏電阻的結(jié)構(gòu)與特性。 2.6 光敏電阻 2.6.1 工作原理 光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，因此，光敏電阻又稱光導(dǎo)管。 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密

35、封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)如圖2.6.1所示。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。 在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當(dāng)波長的光線照射時，電流就會隨光強(qiáng)的增加而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻

36、器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。 2.6.2 基本特性及其主要參數(shù) 2.6.2.1 暗電阻、亮電阻 光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，或暗阻。此時流過的電流稱為暗電流。例如MG41-21型光敏電阻暗阻大于等于0.1M。 光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時流過的電流稱為亮電流。MG4121型光敏電阻亮阻小于等于1k。 亮電流與暗電流之差稱為光電流。 顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。2.6.2.2 伏安特性 在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的

37、電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性。 由圖2.6.2可知，光敏電阻伏安特性近似直線，而且沒有飽和現(xiàn)象。受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。2.6.2.3 光電特性 光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱為光電特性。如圖2.6.3所示，光敏電阻的光電特性呈非線性。因此不適宜做檢測元件，這是光敏電阻的缺點之一，在自動控制中它常用做開關(guān)式光電傳感器。 2.6.2.4 光譜特性 對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如圖2.6.4所示。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在

38、紅外區(qū)域，因此在選用光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。2.6.2.5 頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。圖2.6.5給出相對靈敏度Kr，與光強(qiáng)變化頻率f之間的關(guān)系曲線，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。但多數(shù)光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應(yīng)的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。 2.6.2.6 溫度特性 光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大，當(dāng)溫度升高時，它的暗電阻會下降。溫度的變化對光譜特性也有很大影響。圖2.6.6是硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，有時為了提高靈敏度，或為了能接受遠(yuǎn)紅外光而采取降溫