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技术常识

传感器的原理

来源:时代集团 发布日期:2020-05-07 09:06:41

什么叫传感器?

从广义上讲,传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置;简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件(感知元件)和转换器件两部分组成,有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号,本身就构成传感器。

敏感元器件品种繁多,就其感知外界信息的原理来讲,可分为①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类,基于化学反应的原理。③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将传感器分 46 类)。下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。


一 温度传感器及热敏元件
温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多,市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛,这是因为在元件允许工作条件范围内,半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点,而且制造工艺简单、价格低廉。

 

1. 半导体热敏电阻的工作原理
按温度特性热敏电阻可分为两类,随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻,反之为负温度系数热敏电阻。
⑴ 正温度系数热敏电阻的工作原理
此种热敏电阻以钛酸钡( BaTio3 )为基本材料,再掺入适量的稀土元素,利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料,但掺入适量的稀土元素如镧( La )和铌( Nb )等以后,变成了半导体材料,被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料,晶粒之间存在着晶粒界面,对于导电电子而言,晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时,由于半导体化钛酸钡内电场的作用,导电电子可以很容易越过位垒,所以电阻值较小;当温度升高到居里点温度(即临界温度,此元件的‘温度控制点’ 一般钛酸钡的居里点为 120 ℃)时,内电场受到破坏,不能帮助导电电子越过位垒,所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢,具有恒温、调温和自动控温的功能,只发热,不发红,无明火,不易燃烧,电压交、直流 3440V 均可,使用寿命长,非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
⑵ 负温度系数热敏电阻的工作原理
负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料,采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质,完全类似于锗、硅晶体材料,体内的载流子(电子和空穴)数目少,电阻较高;温度升高,体内载流子数目增加,自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多,使用区分低温( -60300 ℃)、中温( 300600 ℃)、高温( >600 ℃)三种,有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点,广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路,如冰箱、空调、温室等的温控系统。
热敏电阻与简单的放大电路结合,就可检测千分之一度的温度变化,所以和电子仪表组成测温计,能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为 -55 ℃~ +315 ℃,特殊低温热敏电阻的工作温度低于 -55 ℃,可达 -273 ℃。

 

2. 热敏电阻的型号
我国产热敏电阻是按部颁标准 SJ1155-82 来制定型号,由四部分组成。
第一部分:主称,用字母‘ M ’表示 敏感元件。
第二部分:类别,用字母‘ Z ’表示正温度系数热敏电阻器,或者用字母‘ F ’表示负温度系数热敏电阻器。
第三部分:用途或特征,用一位数字( 0-9 )表示。一般数字‘ 1 ’表示普通用途,‘ 2 ’表示稳压用途(负温度系数热敏电阻器),‘ 3 ’表示微波测量用途(负温度系数热敏电阻器),‘ 4 ’表示旁热式(负温度系数热敏电阻器),‘ 5 ’表示测温用途,‘ 6 ’表示控温用途,‘ 7 ’表示消磁用途(正温度系数热敏电阻器),‘ 8 ’表示线性型(负温度系数热敏电阻器),‘ 9 ’表示恒温型(正温度系数热敏电阻器),‘ 0 ’表示特殊型(负温度系数热敏电阻器)
第四部分:序号,也由数字表示,代表规格、性能。
往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要,在序号后加‘派生序号’,由字母、数字和‘ - ’号组合而成。
例: M Z 1 1

 

3. 热敏电阻器的主要参数
各种热敏电阻器的工作条件一定要在其出厂参数允许范围之内。热敏电阻的主要参数有十余项:标称电阻值、使用环境温度(最高工作温度)、测量功率、额定功率、标称电压(最大工作电压)、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。其中标称电阻值是在 25 ℃零功率时的电阻值,实际上总有一定误差,应在± 10% 之内。普通热敏电阻的工作温度范围较大,可根据需要从 -55 ℃到 +315 ℃选择,值得注意的是,不同型号热敏电阻的最高工作温度差异很大,如 MF11 片状负温度系数热敏电阻器为 +125 ℃,而 MF53-1 仅为 +70 ℃,学生实验时应注意(一般不要超过 50 ℃)。


4
实验用热敏电阻选择
首选普通用途负温度系数热敏电阻器,因它随温度变化一般比正温度系数热敏电阻器易观察,电阻值连续下降明显。若选正温度系数热敏电阻器,实验温度应在该元件居里点温度附近。

:MF11 普通负温度系数热敏电阻器参数
主要技术参数名称 参数值 MF11 热敏电阻符号外形图
标称阻值( k Ω) 1015 片状外形 符号
额定功率 ( W 0.25
材料常数 B 范围( k 19803630
温度系数( 10-2/ ℃) -2.234.09
耗散系数( mW/ ℃) ≥ 5
时间常数( s ) ≤ 30
最高工作温度(℃) 125


粗测热敏电阻的值,宜选用量程适中且通过热敏电阻测量电流较小万用表。若热敏电阻 10k Ω左右,可以选用 MF10 型万用表,将其挡位开关拨到欧姆挡 R × 100 ,用鳄鱼夹代替表笔分别夹住热敏电阻的两引脚。在环境温度明显低于体温时,读数 10.2k , 用手捏住热敏电阻,可看到表针指示的阻值逐渐减小;松开手后,阻值加大,逐渐复原。这样的热敏电阻可以选用(最高工作温度 100 ℃左右)。

几种实用测温传感器
a
空调内专用温控传感器:热敏元件封在铜金属中。
b
气温测量传感器

 

二 光传感器及光敏元件
光传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等。


1.
光敏电阻器
光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成 ,因半导体光电晶体成分不同,又分为可见光光敏电阻(硫化镉晶体)、红外光光敏电阻(砷化镓晶体)、和紫外光光敏电阻(硫化锌晶体)。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面,晶体内载流子增加,使其电导率增加(即电阻减小)。


光敏电阻的主要参数:
◆光电流 、亮阻:在一定外加电压下,当有光( 100lx 照度)照射时,流过光敏电阻的电流称光电流;外加电压与该电流之比为亮阻,一般几 k Ω~几十 k Ω。
◆暗电流、暗阻:在一定外加电压下,当无光( 0 lx 照度)照射时,流过光敏电阻的电流称暗电流;外加电压与该电流之比为暗阻,一般几百 k Ω~几千 k Ω以上。
◆最大工作电压:一般几十伏至上百伏。
◆环境温度:一般 -25 ℃至 +55 ℃,有的型号可以 -40 ℃至 +70 ℃。
◆额定功率(功耗):光敏电阻的亮电流与外电压乘积;可有 5mW300mW 多种规格选择。
◆光敏电阻的主要参数还有响应时间、灵敏度、光谱响应、光照特性、温度系数、伏安特性等。
值得注意的是,光照特性(随光照强度变化的特性)、温度系数(随温度变化的特性)、伏安特性不是线性的,如以 CdS (硫化镉)光敏电阻的光阻有时随温度的增加而增大,有时随温度的增加又变小。


硫化镉光敏电阻器的参数:
型号规格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
环境温度(℃) -40+60 -25+55 -40+70 -40+70
额定功率( mW 20 10 5 200
亮阻, 100lxk Ω) ≤ 2 50 2 2
暗阻, 0lxM Ω) ≥ 1 10 0.2 1
响应时间 ( ms ) ≤ 20 20 20 20
最高工作电压( v 100 50 20 250

2
光电二极管
和普通二极管相比,除它的管芯也是一个 PN 结、具有单向导电性能外,其他均差异很大。首先管芯内的 PN 结结深比较浅(小于 1 微米),以提高光电转换能力;第二 PN 结面积比较大,电极面积则很小,以有利于光敏面多收集光线;第三光电二极管在外观上都有一个用有机玻璃透镜密封、能汇聚光线于光敏面的“窗口”;所以光电二极管的灵敏度和响应时间远远优于光敏电阻。


常见的几种光电二极管及符号如下:
2DU
有前极、后极、环极三个极。其中环极是为了减小光电二极管的暗电流和增加工作稳定性而设计增加的,应用时需要接电源正极。

光电二极管的主要参数有:最高工作电压( 1050V, 暗电流(≤ 0.051 微安),光电流(> 680 微安),光电灵敏度、响应时间(几十 ns ~几十μ s )、结电容和正向压降等。
光电二极管的优点 : 线性好,响应速度快,对宽范围波长的光具有较高的灵敏度,噪声低;缺点 : 单独使用输出电流(或电压)很小,需要加放大电路。适用于通讯及光电控制等电路。
光电二极管的检测可用万用表 R × 1K 挡,避光测正向电阻应 10K Ω~ 200 K Ω,反向应,去掉遮光物后向右偏转角越大,灵敏度越高。
光电三极管可以视为一个光电二极管和一个三极管的组合元件,由于具有放大功能,所以其暗电流、光电流和光电灵敏度比光电二极管要高得多,但结构原因使结电容加大,响应特性变坏。广泛应用于低频的光电控制电路。
半导体光电器件还有 MOS 结构,如扫描仪、摄象头中常用的 CCD (电荷耦合器件)就是集成的光电二极管或 MOS 结构的阵列。

三 气敏传感器及气敏元件
教材仅要求简单的热敏电阻和光敏电阻特性实验。由于气体与人类的日常生活密切相关,对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段,气敏传感器发挥着极其重要的作用。

例如生活环境中的一氧化碳浓度达 0.81.15 ml/L 时,就会出现呼吸急促,脉搏加快,甚至晕厥等状态,达 1.84ml/L 时则有在几分钟内死亡的危险,因此对一氧化碳检测必须快而准。

利用 SnO2 金属氧化物半导体气敏材料,通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备 SnO2 纳米颗粒,并以此为基体掺杂一定催化剂,经适当烧结工艺进行表面修饰,制成旁热式烧结型 CO 敏感元件,能够探测 0.005%0.5% 范围的 CO 气体。

还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。

 

接触燃烧式气体传感器 的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层),使用时对铂丝通以电流,保持 300 ℃~ 400 ℃的高温,此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝的温度会上升,铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小,就知道可燃性气体的浓度。

 

电化学气敏传感器 一般利用液体(或固体、有机凝胶等)电解质,其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流,也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。

 

半导体气敏传感器 具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点,应用极其广泛;下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件


半导体气敏元件有 N 型和 P 型之分。 N 型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小; P 型阻值随气体浓度的增大而增大。

SnO2 金属氧化物半导体气敏材料,属于 N 型半导体,在 200300 ℃温度它吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体(如 CO 等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面;氧脱附放出电子,可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子,从而使氧化物半导体导带电子密度增加,电阻值下降。可燃性气体不存在了,金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。


目前国产的气敏元件有 2 种。一种是直热式,加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内;旁热式气敏元件以陶瓷管为基底,管内穿加热丝,管外侧有两个测量极,测量极之间为金属氧化物气敏材料,经高温烧结而成。


气敏元件的参数主要有加热电压、电流,测量回路电压,灵敏度,响应时间,恢复时间,标定气体( 0.1% 丁烷气体)中电压,负载电阻值等。

QM-N5 型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测,属于 N 型半导体元件。灵敏度较高,稳定性较好,响应和恢复时间短,市场上应用广泛。

QM-N5 气敏元件参数如下:标定气体( 0.1% 丁烷气体,最佳工作条件)中电压≥ 2V ,响应时间≤ 10S ,恢复时间≤ 30S ,最佳工作条件加热电压 5V 、测量回路电压 10V 、负载电阻 RL2K ,允许工作条件加热电压 4.55.5V 、测量回路电压 515V 、负载电阻 0.52.2K 。常见的气敏元件还有 MQ-31 (专用于检测 CO ), QM-J1 酒敏元件等。


四 力敏传感器和力敏元件
力敏传感器的种类甚多,传统的测量方法是利用弹性材料的形变和位移来表示。随着微电子技术的发展,利用半导体材料的压阻效应(即对其某一方向施加压力,其电阻率就发生变化)和良好的弹性,已经研制出体积小、重量轻、灵敏度高的力敏传感器,广泛用于压力、加速度等物理力学量的测量。


五 磁敏传感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍尔器件(基于霍尔效应)、磁阻器件(基于磁阻效应:外加磁场使半导体的电阻随磁场的增大而增加。)、磁敏二极管和三极管等。以磁敏元件为基础的磁敏传感器在一些电、磁学量和力学量的测量中广泛应用。


在一定意义上传感器与人的感官有对应的关系,其感知能力已远超过人的感官。例如利用目标自身红外辐射进行观察的红外成像系统(夜像仪),黑夜中可 1000 米发现人, 2000 米发现车辆;热像仪的核心部件是红外传感器。

 

1991 年海湾战争中,伊拉克的坦克配置的夜视仪探测距离仅 800 米,还不及美英联军的一半,黑暗中被打得惨败是必然的。目前世界各国都将传感器技术列为优先发展的高新技术的重点。为了大幅度提供传感器的性能,将不断采用新结构、新材料和新工艺,向小型化、集成化和智能的方向发展。

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