傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用課件：傳感器的典型應(yīng)用

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用

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傳感器的典型應(yīng)用第一節(jié)

光敏傳感器的應(yīng)用一、光敏傳感器概述1、定義：對(duì)外界光信號(hào)或光輻射有響應(yīng)或轉(zhuǎn)換功能的敏感裝置。

光敏傳感器在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。2、光敏傳感器的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

光敏傳感器是最常見(jiàn)的傳感器之一，它的種類(lèi)繁多，主要類(lèi)型有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽(yáng)能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、電荷耦合器件（CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

（CMOS）、圖像傳感器等。最簡(jiǎn)單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合處就會(huì)產(chǎn)生電流。1、光電管

光電管（photoconductor）為最早出現(xiàn)的光敏器件，其結(jié)構(gòu)和工作電路圖見(jiàn)圖5-1所示。a)結(jié)構(gòu)示意圖

b)管工作電路圖圖5-1光電管結(jié)構(gòu)和工作電路圖

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光敏傳感器的應(yīng)用一、光敏傳感器概述2、光敏電阻

通過(guò)將光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。如圖5-2所示。

（1）光敏電阻的分類(lèi)

Ⅰ.按照制成材料分類(lèi)

本征型光敏電阻

一般在室溫下工作，適用于對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光輻射的探測(cè)。

非本征型光敏電阻

也稱(chēng)為“摻雜型光敏電阻”通常在低溫條件下工作。

圖5-2光敏傳感器

結(jié)構(gòu)示意圖

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光敏傳感器的應(yīng)用一、光敏傳感器概述2、光敏電阻

Ⅱ.按照光敏電阻的光譜特性分類(lèi)

A.紫外光敏電阻器：對(duì)紫外光較為敏感、用于探測(cè)紫外線輻射的光敏電阻。如硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）等。

B.紅外光敏電阻器：對(duì)紅外光較為敏感的光敏電阻。如硫化鉛（PbS）、碲化鉛（PbTe）、碲化銦（In2Te5）等。應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、地域勘探、非觸摸丈量；人體病變檢測(cè)；紅外光譜輻射探測(cè)、紅外通信等國(guó)防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。C.可見(jiàn)光敏電阻器：應(yīng)用于可見(jiàn)光-電操作體系。如光電門(mén)禁系統(tǒng)，航標(biāo)燈、路燈和無(wú)論值守的照明系統(tǒng)的自動(dòng)控制，供水裝置系統(tǒng)的智能控制，極薄零部件的厚度自動(dòng)檢測(cè)，不易接近大型設(shè)備自動(dòng)跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)，光電計(jì)數(shù)器，照相機(jī)自動(dòng)曝光控制，煙霧報(bào)警器，防護(hù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

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光敏傳感器的應(yīng)用二、光敏傳感器的特性

1、光電流、亮電阻：在外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過(guò)的電流稱(chēng)為“光電流”，外加電壓與光電流之比稱(chēng)為“亮電阻”。常用“100LX”表示。

2、暗電流、暗電阻：在外加電壓下，當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，流過(guò)的電流稱(chēng)為“暗電流”，外加電壓與暗電流之比稱(chēng)為“暗電阻”。常用“0LX”表示。

3、活絡(luò)度：指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受到光照射時(shí)的電阻值“亮電阻”的相對(duì)變化值。4、光譜照料：又稱(chēng)為“光譜活絡(luò)度”。指光敏電阻在分歧樣波長(zhǎng)的單色光譜照射下的活絡(luò)度所作的曲線，也稱(chēng)為“光譜照料曲線”。

5、光照特性：指光敏電阻輸出的電信號(hào)隨光照度而改變的特性。

6、伏安特性曲線：是光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系曲線。7、溫度系數(shù)：光敏電阻的光電效應(yīng)在一定溫度影響下的光電活絡(luò)度。

8、額定功率：指光敏電阻用于電路中所容許消耗的功率。

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光敏傳感器的應(yīng)用一、光敏傳感器概述3、光電三極管

定義

光敏三極管（photistor）也稱(chēng)光電晶體管，是一種半導(dǎo)體光電器件，其電流受外部光照控制。

基本結(jié)構(gòu)

光電三極管相當(dāng)于在三極管的基極和集電極之間接入一只光電二極管的三極管，光電二極管的電流相當(dāng)于三極管的基極電流。光電三極管比光電二極管靈敏得多，其集電極可以輸出很大的光電流。

光電晶體管有三個(gè)電極，其中基極未引出，當(dāng)光照強(qiáng)弱變化時(shí)，控制集電極電流的大小，使光電晶體管處于不同的工作狀態(tài)。

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光敏傳感器的應(yīng)用一、光敏傳感器概述3、光電三極管

工作原理

光電晶體管僅引出集電極和發(fā)射極，基極作為光接收窗口。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-3所示，其實(shí)物圖見(jiàn)圖5-4所示。

圖5-4光電三極管實(shí)物圖圖5-3光電三極管結(jié)構(gòu)示意圖

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光敏傳感器的應(yīng)用3、光電三極管

測(cè)試方法

◆

用指針式萬(wàn)用表1kΩ擋電阻測(cè)量法

黑表筆接c極，紅表筆接e極，無(wú)光照時(shí)指針微動(dòng)(接近∞)，隨著光照的增強(qiáng)電阻變小，光線較強(qiáng)時(shí)其阻值可降到幾kΩ～1kΩ以下。

再將黑表筆接e極，紅表筆接c極，有無(wú)光照指針均為∞(或微動(dòng))，這管子就是好的。

◆

測(cè)電流法

工作電壓5V，電流表串接在電路中，c極接正，e極接負(fù)。無(wú)光照時(shí)小于0.3μA；光照增加時(shí)電流增加，可達(dá)2～5mA。

◆

用數(shù)字式萬(wàn)用表20kΩ擋測(cè)試

紅表筆接c極，黑表筆接e極，完全黑暗時(shí)顯示1，光線增強(qiáng)時(shí)阻值隨之降低，最小可達(dá)1kΩ左右。

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光敏傳感器的應(yīng)用3、光電三極管

基本特性

◆

光電特性

在正常偏壓下的集電極電流與入射光照度之間的關(guān)系，

光電特性曲線如圖5-5所示。

◆伏安特性

光電三極管必須在有偏壓，且要保證光電三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置的狀態(tài)下、集電結(jié)處于反向偏壓才能工作。

伏安特性曲線如圖5-6所示。

圖5-6光電三極伏安特性曲線圖圖5-6光電三極光電特性曲線圖

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光敏傳感器的應(yīng)用3、光電三極管

基本特性

◆溫度特性

因光電三極管的放大作用，其受溫度的影響比硅光電二極管大得多。隨溫度升高，暗電流增加很快，輸出信噪比變差，檢測(cè)時(shí)需采取適當(dāng)?shù)暮銣鼗驕囟妊a(bǔ)償措施。

其溫度特性曲線圖見(jiàn)圖5-7所示。

◆頻率特性

影響光電三極管頻率響應(yīng)的因素還受基區(qū)渡越時(shí)間和發(fā)射結(jié)電容、輸出電路的負(fù)載電阻的限制，故頻率特性比光電二極管差。其變化曲線見(jiàn)圖5-8所示。其光譜響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5-9

所示。圖5-7溫度特性曲線圖

圖5-8光電晶體管頻率特性曲線圖

圖5-9３ＤＵ３光電晶體管光譜響應(yīng)曲線圖

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光敏傳感器的應(yīng)用二、光敏傳感器工作原理

光敏傳感器利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，其敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光敏傳感器除對(duì)光的探測(cè)外，還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)非電量進(jìn)行檢測(cè)。

半導(dǎo)體光敏電阻在一般情況下不需要配備電流放大器。在要求較大的輸出功率時(shí)，可采用圖5-10a所示的電路。在需要得到較大輸出功率時(shí)，也可以配備放大電路，如圖5-10b所示。

ａ）半導(dǎo)體光敏電阻

的電流放大器

ｂ）半導(dǎo)體光電二極

管的電流放大器ｃ）光敏電池的電流

放大器圖5-10電流放大器

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光敏傳感器的應(yīng)用二、光敏傳感器工作原理

半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光電二極管通過(guò)集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖5-11所示。圖5-12所示為硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路.

圖5-12采用運(yùn)算放大器和硅光電池的電流放大器圖5-11采用運(yùn)算放大器和光電二極管的電流放大器

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光敏傳感器的應(yīng)用三、光電傳感器的應(yīng)用

光電傳感器用途廣泛，大到衛(wèi)星姿態(tài)檢測(cè)控制、精密儀器儀表的精準(zhǔn)測(cè)試，小到兒童玩具的控制。在綠色節(jié)能、智能控制、人工智能等科技生產(chǎn)、生活領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用。

圖5-13是光電傳感器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)的小系統(tǒng)例圖。圖5-13傳感器通用件示例實(shí)物圖

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熱敏傳感器的應(yīng)用一、熱敏傳感器概述

（一）定義

熱敏傳感器是一種對(duì)“熱”敏感的電阻傳感器。

（二）表征方式

當(dāng)傳感器中的熱敏材料周?chē)袩彷椛鋾r(shí)，就會(huì)吸收輻射熱產(chǎn)生溫度升高，引起材料的阻值發(fā)生變化。且其電阻值隨電阻體的溫度的變化而變化。

熱敏傳感器按照溫度系數(shù)不同，分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏傳感器。

典型特點(diǎn)

對(duì)溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。

正溫度系數(shù)熱敏傳感器在溫度越高時(shí)電阻值越大，

負(fù)溫度系數(shù)熱敏傳感器在溫度越高時(shí)電阻值越低，

它們同屬于半導(dǎo)體器件。

熱敏傳感器的重要元件是熱敏電阻，且一般采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。溫度系數(shù)一般為-2%

～-6%。

常用產(chǎn)品圖如圖5-14所示。

圖5-14熱敏電阻常用產(chǎn)品圖

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熱敏傳感器的應(yīng)用一、熱敏傳感器概述

（三）主要特點(diǎn)

熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線

如圖5-15所示。圖中顯示的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線。

圖5-15負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線

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熱敏傳感器的應(yīng)用一、熱敏傳感器概述

１主要優(yōu)點(diǎn)

（1）靈敏度較高，能檢測(cè)出10-6℃的溫度變化。

（2）工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55～315℃，高溫器件適用溫度高于315～2000℃），低溫器件適用于-273～-55℃。

（3）體積小，能測(cè)量空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度。

（4）使用方便，電阻值可在0.1Ω～100kΩ任意選擇。

（5）易加工成復(fù)雜的形狀，易批量生產(chǎn)。

（6）穩(wěn)定性好，過(guò)載能力強(qiáng)。

２主要缺點(diǎn)

（1）阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重。

（2）元件的一致性差，互換性差。

（3）元件易老化，穩(wěn)定性較差。

（4）除特殊高溫?zé)崦綦娮柰猓^大多數(shù)適合0～150℃范圍。

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熱敏傳感器的應(yīng)用二、熱敏電阻的分類(lèi)

（一）按特性分類(lèi)

1、正溫度系數(shù)熱敏電阻

在溫度增加時(shí)，其電阻急劇增加的熱敏電阻。常用產(chǎn)品圖如圖5-16所示。

2、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小的熱敏電阻。常用產(chǎn)品圖如圖5-17所示。

3、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻

具有負(fù)電阻突變特性的熱敏電阻，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加而發(fā)生急變。常用產(chǎn)品圖如圖5-18所示。圖5-16正溫度系數(shù)熱敏電阻產(chǎn)品圖

圖5-18常用臨溫度系數(shù)熱敏電阻產(chǎn)品圖

圖5-17負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻產(chǎn)品圖

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熱敏傳感器的應(yīng)用二、熱敏電阻的分類(lèi)

（二）熱敏電阻材料分類(lèi)

分為液體態(tài)熱敏電阻、玻璃體熱敏電阻、有機(jī)材料熱敏電阻、單晶熱敏電阻和多晶陶瓷熱敏電阻，見(jiàn)表5-1。

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熱敏傳感器的應(yīng)用三、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理

溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度的測(cè)量與控制一直都是電氣自動(dòng)化進(jìn)行控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)。利用電阻隨溫度變化的特性制成的敏感元件即稱(chēng)為熱敏電阻傳感器。

（一）熱敏電阻傳感器的結(jié)構(gòu)

1、基本結(jié)構(gòu)

普通型熱電阻由感溫元件、引線、接線端子、導(dǎo)熱外殼等基本部分組成。見(jiàn)圖5-19所示。PTC熱敏電阻的合金微觀結(jié)構(gòu)圖如圖5-20所示。圖5-19熱敏電阻式溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖１—接線端子

２—引線３—熱敏電阻

４—導(dǎo)熱外殼

圖5-20組成

ＰＴＣ熱敏電阻的合金微觀結(jié)構(gòu)圖

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熱敏傳感器的應(yīng)用二、熱敏電阻的分類(lèi)

1、基本結(jié)構(gòu)

（1）熱敏電阻產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式１）常規(guī)的熱敏電阻產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式示意圖，如圖5-21所示。２）常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)封裝熱敏電阻外觀圖，如圖5-22所示。３）各種類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)化熱敏電阻圖，如圖5-23所示。４）各式非標(biāo)準(zhǔn)型熱敏電阻產(chǎn)品圖，如圖5-24所示。圖5-21常規(guī)的熱敏電阻產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式示意圖

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熱敏傳感器的應(yīng)用二、熱敏電阻的分類(lèi)

1、基本結(jié)構(gòu)

（1）熱敏電阻產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式圖5-22常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)封裝熱敏電阻外觀圖

a)MF12型

NTC

熱敏電阻b)聚酯塑料

封裝熱敏

電阻圖5-24各式非標(biāo)準(zhǔn)型熱敏電阻產(chǎn)品圖

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熱敏傳感器的應(yīng)用二、熱敏電阻的分類(lèi)

1、基本結(jié)構(gòu)

（1）熱敏電阻產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式圖5-23各種類(lèi)型的

標(biāo)準(zhǔn)化熱敏電阻ａ）NTC玻璃封裝熱敏電阻

ｂ）玻璃封裝MF58型熱敏電阻ｃ）MF58珠型高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

ｄ）MF5A－3型熱敏電阻ｅ）帶安裝孔型熱敏電阻ｆ）片型PTC大功率熱敏電阻

ｇ）NTC型貼片式熱敏電阻

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熱敏傳感器的應(yīng)用四、熱敏電阻的技術(shù)參數(shù)

熱敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)有十余項(xiàng)，如標(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、最高工作電壓、工作電流、溫度系數(shù)、材料常數(shù)、時(shí)間常數(shù)等。

１）標(biāo)稱(chēng)電阻值（ＲＣ）：指環(huán)境溫度25℃

時(shí)熱敏電阻的實(shí)際電阻值。

２）實(shí)際電阻值（ＲＴ）：在一定的溫度條件下所測(cè)得的電阻值。

３）材料常數(shù)（Ｂ）：為描述其材料物理特性的參數(shù)——熱靈敏度指標(biāo)。Ｂ值越大表示其靈敏度越高。其隨著溫度的升高而略有增加。

４）電阻溫度系數(shù)

（αＴ）：表示溫度變化1℃時(shí)的電阻值變化率。單位為%／℃

。

５）時(shí)間常數(shù)

（τ）：時(shí)間常數(shù)是描述熱敏電阻熱慣性的參數(shù)。

定義：假設(shè)在無(wú)功率消耗的狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度由一個(gè)特定溫度向另一個(gè)特定溫度突然改變時(shí)，熱敏電阻體的溫度變化，兩個(gè)特定溫度之差的63.2％所需要的時(shí)間。τ越小則熱敏電阻的熱慣性越小。

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熱敏傳感器的應(yīng)用四、熱敏電阻的技術(shù)參數(shù)

6）額定功率

（PM）：在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)有負(fù)載所允許的耗散功率。在使用時(shí)不得超過(guò)額定功率。

７）額度工作電流

（IM）：在工作狀態(tài)下，規(guī)定的名義電流值。

８）測(cè)量功率

（PC）：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻體受測(cè)試電流加熱，而引起的阻值變化不超過(guò)0.1％時(shí)所消耗的電功率。

９）最大電壓

（PM－DC）：對(duì)于NTC熱敏電阻，指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，不使熱敏電阻器引起熱失控所允許連續(xù)施加的最大直流電壓；

對(duì)于PTC熱敏電阻，指在規(guī)定的環(huán)境溫度和靜止空氣中，允許連續(xù)施加到熱敏電阻器上，并保證熱敏電阻器正常工作在

PTC特性部分的最大直流電壓。

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熱敏傳感器的應(yīng)用四、熱敏電阻的技術(shù)參數(shù)

10）最高工作溫度（Tmax）：在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的最高溫度。

11）開(kāi)關(guān)溫度（tb）：PTC熱敏電阻的電阻值開(kāi)始發(fā)生躍增時(shí)的溫度。

12）耗散系數(shù)（H）：當(dāng)溫度增加1℃時(shí)，熱敏電阻所耗散的功率。單位為

NW／℃。其中，標(biāo)稱(chēng)電阻值是在25℃零功率時(shí)的電阻值，實(shí)際上總是存在一定的誤差，允許在±10％范圍之內(nèi)。

注意：不同型號(hào)的熱敏電阻的最高工作溫度差異很大。

技術(shù)指標(biāo)中，最基本的技術(shù)參數(shù)為“測(cè)量溫度范圍”，“熱敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電阻值”，“額定功率”。

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熱敏傳感器的應(yīng)用五、熱敏電阻的檢測(cè)方法

（一）常溫檢測(cè)

（室內(nèi)溫度接近25℃）

（二）加溫檢測(cè)

將一熱源（如電烙鐵）靠近熱敏電阻對(duì)其加熱，觀察萬(wàn)用表示數(shù)，

（三）測(cè)試時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)

１）Rt是生產(chǎn)廠家在環(huán)境溫度為25℃時(shí)所測(cè)得的，所以測(cè)量Rt時(shí)，亦應(yīng)在環(huán)境溫度接近25℃時(shí)進(jìn)行，以保證測(cè)試的可信度。

２）測(cè)量功率不得超過(guò)規(guī)定值，以免電流熱效應(yīng)引起測(cè)量誤差。

３）注意:測(cè)試時(shí)不要用手捏住熱敏電阻體，以防止人體溫度對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響。

４）注意:不要使熱源與PTC熱敏電阻靠得過(guò)近或直接接觸熱敏電阻，以防止將其燙壞。

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文

傳感器的典型應(yīng)用第二節(jié)

熱敏傳感器的應(yīng)用六、熱敏傳感器的選用原則及應(yīng)用

（一）熱敏傳感器的用途

1、溫度的測(cè)量

這是熱敏電阻的主要應(yīng)用。通過(guò)熱敏電阻感知環(huán)境溫度或被測(cè)目標(biāo)的溫度變化，再經(jīng)過(guò)測(cè)量電路的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為反應(yīng)溫度變化的電壓信號(hào)。

2、電路的限流與保護(hù)CTR熱敏電阻可以制作自恢復(fù)過(guò)電流保護(hù)器。P