传感器原理及根底知识
什么叫传感器？从广义上讲，传感器便是能感知外界信息并能按必定规则将这些信息转化成可用信号的设备；简略说传感器是将外界信号转化为电信号的设备。所以它由灵敏元器材（感知元件）和转化器材两部分组成，有的半导体灵敏元器材可以直接输出电信号，本身就构成传感器。灵敏元器材品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，根据力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，根据化学反应的原理。③生物类，根据酶、抗体、和激素等分子辨认功用。一般据其根本感知功用可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线灵敏元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。下面临常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其灵敏元件介绍如下。
一 温度传感器及热敏元件
温度传感器首要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，商场上出售的有双金属片、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勘探元件的温度传感器运用广泛，这是因为在元件答应作业条件规模内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特色，并且制作工艺简略、价格低廉。
1.半导体热敏电阻的作业原理
按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻添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作业原理
此种热敏电阻以钛酸钡（BaTIo3）为根本资料，再掺入适量的稀土元素，运用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘资料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等今后，变成了半导体资料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体资料，晶粒之间存在着晶粒界面，关于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时，因为半导体化钛酸钡内电场的效果，导电电子可以很简略越过位垒，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‘温度操控点’ 一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能协助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧添加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度改变十分缓慢，具有恒温、调温文主动控温的功用，只发热，不发红，无明火，不易焚烧，电压交、直流3～440V均可，运用寿命长，十分适用于电动机等电器设备的过热勘探。
⑵ 负温度系数热敏电阻的作业原理
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首要原料，选用陶瓷工艺制作而成。这些金属氧化物资料都具有半导体性质，彻底类似于锗、硅晶体资料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目添加，天然电阻值下降。负温度系数热敏电阻类型许多，运用差异低温（-60～300℃）、中温（300～600℃）、高温（>600℃）三种，有灵敏度高、稳定性好、呼应快、寿命长、价格低一级长处，广泛运用于需求定点测温的温度主动操控电路，如冰箱、空调、温室等的温控体系。
热敏电阻与简略的扩大电路结合，就可检测千分之一度的温度改变，所以和电子外表组成测温计，能完结高精度的温度丈量。一般用处热敏电阻作业温度为-55℃～+315℃，特别低温热敏电阻的作业温度低于-55℃，可达-273℃。
2.热敏电阻的类型
我国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来拟定类型，由四部分组成。
榜首部分：主称，用字母‘M’表明 灵敏元件。
第二部分：类别，用字母‘Z’表明正温度系数热敏电阻器，或许用字母‘F’表明负温度系数热敏电阻器。
第三部分：用处或特征，用一位数字（0-9）表明。一般数字‘1’表明一般用处，‘2’表明稳压用处（负温度系数热敏电阻器），‘3’表明微波丈量用处（负温度系数热敏电阻器），‘4’表明旁热式（负温度系数热敏电阻器），‘5’表明测温用处，‘6’表明控温用处，‘7’表明消磁用处（正温度系数热敏电阻器），‘8’表明线性型（负温度系数热敏电阻器），‘9’表明恒温型（正温度系数热敏电阻器），‘0’表明特别型（负温度系数热敏电阻器）
第四部分：序号，也由数字表明，代表标准、功用。
往往厂家出于差异本系列产品的特别需求，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.热敏电阻器的首要参数
各种热敏电阻器的作业条件必定要在其出厂参数答应规模之内。热敏电阻的首要参数有十余项：标称电阻值、运用环境温度（最高作业温度）、丈量功率、额定功率、标称电压（最大作业电压）、作业电流、温度系数、资料常数、时刻常数等。其间标称电阻值是在25℃零功率时的电阻值，实际上总有必定差错，应在±10%之内。一般热敏电阻的作业温度规模较大，可根据需求从-55℃到+315℃挑选，值得留意的是，不同类型热敏电阻的最高作业温度差异很大，如MF11片状负温度系数热敏电阻器为+125℃，而MF53-1仅为+70℃，学生试验时应留意（一般不要超越50℃）。
4 试验用热敏电阻挑选
首选一般用处负温度系数热敏电阻器，因它随温度改变一般比正温度系数热敏电阻器易调查，电阻值接连下降显着。若选正温度系数热敏电阻器，试验温度应在该元件居里点温度邻近。
例MF11一般负温度系数热敏电阻器参数
首要技能参数称号 参数值 MF11热敏电阻符号外形图
标称阻值（kΩ） 10～15 片状外形 符号
额定功率 （W） 0.25
资料常数B规模（k） 1980～3630
温度系数（10-2/℃） -（2.23～4.09）
耗散系数（mW/℃） ≥5
时刻常数（s） ≤30
最高作业温度（℃） 125
粗测热敏电阻的值，宜选用量程适中且经过热敏电阻丈量电流较小万用表。若热敏电阻10kΩ左右，可以选用MF10型万用表，将其挡位开关拨到欧姆挡R×100，用鳄鱼夹替代表笔别离夹住热敏电阻的两引脚。在环境温度显着低于体温时，读数10.2k ,用手捏住热敏电阻，可看到表针指示的阻值逐步减小；松开手后，阻值加大，逐步康复。这样的热敏电阻可以选用（最高作业温度100℃左右）。
几种有用测温传感器
a空调内专用温控传感器：热敏元件封在铜金属中。
b 气温丈量传感器
二 光传感器及光敏元件
光传感器首要由光敏元件组成。现在光敏元件开展迅速、品种繁多、运用广泛。商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）。当灵敏波长的光照半导体光电晶体外表，晶体内载流子添加，使其电导率添加（即电阻减小）。
光敏电阻的首要参数：
◆光电流 、亮阻：在必定外加电压下，当有光（100lx照度）照耀时，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kΩ～几十kΩ。
◆暗电流、暗阻：在必定外加电压下，当无光（ 0 lx照度）照耀时，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kΩ～几千kΩ以上。
◆最大作业电压：一般几十伏至上百伏。
◆环境温度：一般-25℃至 +55℃，有的类型可以-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5mW至300mW多种标准挑选。
◆光敏电阻的首要参数还有呼应时刻、灵敏度、光谱呼应、光照特性、温度系数、伏安特性等。
值得留意的是，光照特性（随光照强度改变的特性）、温度系数（随温度改变的特性）、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添加而增大，有时随温度的添加又变小。
硫化镉光敏电阻器的参数：
类型标准 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，100lx（kΩ） ≤2 ≤50 ≤2 ≤2
暗阻， 0lx（MΩ） ≥1 ≥10 ≥0.2 ≥1
呼应时刻 （ms） ≤20 ≤20 ≤20 ≤20
最高作业电压（v） 100 50 20 250
2 光电二极管
和一般二极管比较，除它的管芯也是一个PN结、具有单向导电功用外，其他均差异很大。首要管芯内的PN结结深比较浅（小于1微米），以进步光电转化才能；第二PN结面积比较大，电极面积则很小，以有利于光敏面多搜集光线；第三光电二极管在外观上都有一个用有机玻璃透镜密封、能会聚光线于光敏面的“窗口”；所以光电二极管的灵敏度和呼应时刻远远优于光敏电阻。
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。其间环极是为了减小光电二极管的暗电流和添加作业稳定性而规划添加的，运用时需求接电源正极。光电二极管的首要参数有：最高作业电压（10～50V）,暗电流（≤0.05～1微安），光电流（＞6～80微安），光电灵敏度、呼应时刻（几十ns～几十μs）、结电容和正向压降等。
光电二极管的长处是线性好，呼应速度快，对宽规模波长的光具有较高的灵敏度，噪声低；缺陷是独自运用输出电流（或电压）很小，需求加扩大电路。适用于通讯及光电操控等电路。
光电二极管的检测可用万用表R×1K挡，避光测正向电阻应10KΩ～200 KΩ，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，因为具有扩大功用，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，呼应特性变坏。广泛运用于低频的光电操控电路。
半导体光电器材还有MOS结构，如扫描仪、摄象头中常用的CCD（电荷耦合器材）便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
教材仅要求简略的热敏电阻和光敏电阻特性试验。因为气体与人类的日常日子密切相关，对气体的检测现已是维护和改进生态寓居环境不行短少手法，气敏传感器发挥着极端重要的效果。例如日子环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会呈现呼吸短促，脉息加速，乃至昏厥等状况，达1.84ml/L时则有在几分钟内逝世的风险，因而对一氧化碳检测有必要快而准。运用SnO2金属氧化物半导体气敏资料，经过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂必定催化剂，经恰当烧结工艺进行外表润饰，制成旁热式烧结型CO灵敏元件，可以勘探0.005%～0.5%规模的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勘探的传感器。常用的首要有触摸焚烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。触摸焚烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可外表涂铂、钯等稀有金属催化层），运用时对铂丝通以电流，坚持300℃～400℃的高温，此刻若与可燃性气体触摸，可燃性气体就会在稀有金属催化层上焚烧，因而铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；经过丈量铂丝的电阻值改变的巨细，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般运用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出方式可所以气体直接氧化或复原发生的电流，也可所以离子效果于离子电极发生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、呼应快、稳定性好、运用简略的特色，运用极端广泛；下面要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。象SnO2金属氧化物半导体气敏资料，归于N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，构成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度削减，然后使其电阻值添加。当遇到有能供应电子的可燃气体（如CO等）时，本来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状况吸附在金属氧化物半导体外表；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状况吸附也要放出电子，然后使氧化物半导体导带电子密度添加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会主动康复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状况。这便是半导体气敏元件检测可燃气体的根本原理。
现在国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和丈量电极一起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，管外侧有两个丈量极，丈量极之间为金属氧化物气敏资料，经高温烧结而成。
气敏元件的参数首要有加热电压、电流，丈量回路电压，灵敏度，呼应时刻，康复时刻，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、火油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，归于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，呼应和康复时刻短，商场上运用广泛。QM-N5气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳作业条件）中电压≥2V，呼应时刻≤10S，康复时刻≤30S，最佳作业条件加热电压5V、丈量回路电压10V、负载电阻RL为2K，答应作业条件加热电压4.5～5.5V、丈量回路电压5～15V、负载电阻0.5～2.2K。下图为气敏元件的简略测验电路（组成传感器），电压表指针改变越大，灵敏度越高；只需加一简略电路可完成报警。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
力敏传感器的品种甚多，传统的丈量方法是运用弹性资料的形变和位移来表明。跟着微电子技能的开展，运用半导体资料的压阻效应（即对其某一方向施加压力，其电阻率就发生改变）和杰出的弹性，现已研制出体积小、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丈量。
五 磁敏传感器和磁敏元件
现在磁敏元件有霍尔器材（根据霍尔效应）、磁阻器材（根据磁阻效应：外加磁场使半导体的电阻随磁场的增大而添加。）、磁敏二极管和三极管等。以磁敏元件为根底的磁敏传感器在一些电、磁学量和力学量的丈量中广泛运用。
在必定意义上传感器与人的感官有对应的联系，其感知才能已远超越人的感官。例如运用方针本身红外辐射进行调查的红外成像体系（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，伊拉克的坦克装备的夜视仪勘探间隔仅800米，还不及美英联军的一半，漆黑中被打得惨败是必定的。现在世界各国都将传感器技能列为优先开展的高新技能的要点。为了大幅度供给传感器的功用，将不断选用新结构、新资料和新工艺，向小型化、集成化和智能的方向开展。
