傳感器的物理基礎(chǔ)

“教材”給傳感器下的定義是：“能將能感受到的物理量（如力，熱，光，聲等）轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量（一般是電學(xué)量）的一類元件。”這就是說，傳感器是屬于具有功能轉(zhuǎn)換的元件。本文中我們先對(duì)教材中例舉的熱電傳感器和光電傳感器的物理基礎(chǔ)作一介紹，然后再拓展到其他傳感器元件。

一、熱電傳感器

熱電傳感器利用元件的電參量（電阻或電勢(shì)）隨溫度變化的特性來測(cè)量溫度。其中將溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器（熱電偶在一般大學(xué)教材中均有譯述，本文從略）。將溫度轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻和熱敏電阻傳感器。熱電阻傳感器一般利用純金屬（如鉑銅鐵鎳等）具有正電阻溫度系數(shù)（PTC）的特性制成的。我們這里只重點(diǎn)介紹熱敏電阻傳感器。

熱敏電阻利用半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體比金屬具有更大的電阻溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻又可分為正電阻溫度系數(shù)（PTC），負(fù)電阻系數(shù)（NTC），臨界電阻溫度系數(shù)（CTR）等幾種。

PTC熱敏電阻一般用BaTiO3（鈦酸鋇）系列材料制成。當(dāng)溫度超過某一定值時(shí)，其電阻值快速增長(zhǎng)。主要用于各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫控制（如電熱蚊香的發(fā)熱元件）和用作限流元件。還可用于彩電消磁。

CTR熱敏電阻利用V03（氧化釩）系列材料制作。具有在某個(gè)溫度值上電阻能急劇變化從而用作溫度開關(guān)。

本文主要介紹NTC熱敏電阻。

NTC熱敏電阻應(yīng)用廣泛。它是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體。其電阻率ρT，電阻溫度系數(shù)αT與溫度的關(guān)系分別由下式表示：可見NTC熱敏電阻的αT小于0，隨著T的減小，其溫度系數(shù)增大，所以低溫時(shí)其靈敏度很高。隨著溫度的升高，其電阻率反而減小。NTC熱敏電阻主要用于低溫范圍（－100℃～300℃）的溫度控制在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，其伏－安特性如圖1所示。由圖可知，當(dāng)電流很小時(shí)，居于線性電阻（遵從歐姆定律）、當(dāng)電流增大到一定值，流過熱敏電阻的電流對(duì)元件本身加熱，溫度升高。由于負(fù)電阻特性，使其電流I增大，但元件兩端電壓U反而下降。而其所能升高的溫度與環(huán)境條件（周圍介質(zhì)溫度及散熱條件）有關(guān)。當(dāng)電流與周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件。根據(jù)這一原理，熱敏電阻除了可用來測(cè)量溫度外，還可用來測(cè)量和控制流體的流速和介質(zhì)密度等。

二、光電傳感器

教材中說：“光電傳感器是利用光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)”。光敏電阻也是一種半導(dǎo)體材料，常用的材料有硫化（CdS）。其物理特性使光的照射能使電阻明顯減小（或者說其電阻明顯增大）。有一種CdS光敏電阻照亮?xí)r電阻可小于2kΩ，無光照射時(shí)其電阻可大于4MΩ，而兩者相差2000多倍。光敏電阻的一個(gè)重要特性是存在一定的光波波限λ0，超過λ0的光波即使光很強(qiáng)，其電阻值也并不明顯下降?？梢姡挥心芰看笥趆v0＝hc／λ0的光子才能在光敏電阻中產(chǎn)生電子──空穴對(duì)，這是光電效應(yīng)基本原理的又一重要應(yīng)用。這種光電阻光譜特性的測(cè)量和研究已成為確定半導(dǎo)體材料電學(xué)性能（禁帶寬度）的有效方法。硫化鉛（PbS）光敏電阻可以探測(cè)到3μm的紅外光；銻化錮（InSb）可以探測(cè)到6～7μm的紅外光。

除了半導(dǎo)體的光敏電阻效應(yīng)以外，還有一種重要的光電傳感器是利用半導(dǎo)體的PN結(jié)在短波光照射下誘導(dǎo)出電子──空穴對(duì)從而產(chǎn)生電勢(shì)差的現(xiàn)象，通常稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池利用的正是這種效應(yīng)。

硅光電池受光照面為正極，背光面為負(fù)極。其性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)（10-3～10-4s），靈敏度較低，一般輸出電壓為20～100mV。

利用光生伏特效應(yīng)的還有光電二極管，它在電路中是反向工作的。其特點(diǎn)為響應(yīng)時(shí)間短（10-7s），靈敏度較高，輸出電壓100～200mV，輸入光的波長(zhǎng)在0．86～0．9um范圍內(nèi)輸出電流最大。其缺點(diǎn)是在弱光下靈敏度較低。

光電三極管響應(yīng)時(shí)間10-4～10-5s，電流靈敏度高，輸出電壓達(dá)300～500mV，電流峰值波長(zhǎng)也在0．86～0．9um，缺點(diǎn)是穩(wěn)定度比光電二極管差。

光電傳感器作為測(cè)量元件常用于數(shù)字式光學(xué)儀器（如比長(zhǎng)儀），與精密加工機(jī)床的長(zhǎng)度和角度的標(biāo)準(zhǔn)器具。數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及動(dòng)態(tài)測(cè)量等。

三、其他種類傳感器

除熱電、光電傳感器外，根據(jù)傳感器的測(cè)量原理，還有電阻應(yīng)變式傳感器，電容式傳感器，變磁阻式傳感器，磁電式傳感器，壓電式壓磁式傳感器，霍爾傳感器等，這些傳感器都可以單獨(dú)的傳感器或幾種傳感器元件的組合，將許多非電學(xué)量（如壓力，壓強(qiáng)，位移，速度，加速度等力學(xué)量以及溫度等）轉(zhuǎn)換成電阻，電感，電容等電學(xué)量的變化，從而檢測(cè)出電壓，電流等易測(cè)信號(hào)加以處理和顯示。還有一類傳感器則可用來檢測(cè)氣體種類（氣敏）和物質(zhì)中的水分。

電阻式傳感器的全名為電阻應(yīng)變式傳感器，它是由電阻應(yīng)變片和彈性敏感元件組合起來的傳感器。將電阻應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外力，力矩，壓力，位移，加速度等各種力學(xué)參數(shù)作用時(shí)，彈性敏感元件將產(chǎn)生位移，轉(zhuǎn)角，應(yīng)力和應(yīng)變。電阻應(yīng)變片則將這些力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻的變化。

彈性敏感元件材料一般選用結(jié)構(gòu)合金鋼：如中碳福錳硅鋼，中碳鎘鎳硅鋼，鎘釩彈簧鋼等。我國(guó)也有選用鈹青銅，鋁合金材料的。一些常用的彈性敏感元件常做成空心或?qū)嵭牡冉孛孑S，懸臂梁，扭轉(zhuǎn)棒，薄壁圓筒，薄壁半球，等截面薄板等形狀。在實(shí)際應(yīng)用中，也可能有兩種以上形式元件的組合使用。至于電阻應(yīng)變體的結(jié)構(gòu)，主要有絲式，箔式和半導(dǎo)體三種類型，其主要參數(shù)有應(yīng)變片的電阻值（分60Ω，120Ω，350Ω，600Ω，1000Ω五種），絕緣電阻（一般大于1010Ω）和元件電流（75～100mA）三種。電阻應(yīng)變片將非電量（如壓力，壓強(qiáng)，位移，速度等）轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為了便于顯示和記錄應(yīng)變值的大小，還需要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。完成這種轉(zhuǎn)換功能的電路常采用直流或交流電橋。

氣敏傳感器用于檢測(cè)各種氣體的成份。早期對(duì)氣體的檢測(cè)主要采用化學(xué)和光學(xué)手段。雖然檢測(cè)準(zhǔn)確，但速度慢，設(shè)備復(fù)雜，成本高，使用不方便。隨著煤氣，液化石油氣，天然氣的開發(fā)利用以及人們對(duì)氣體環(huán)境污染的重視，需要對(duì)各種易燃，易爆和有毒有害氣進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)。上世紀(jì)60年代，利用金屬氧化物半導(dǎo)體研制出可燃?xì)怏w傳感器，以及發(fā)現(xiàn)在氣敏元件中加人少量催化金屬，可以大大改進(jìn)氣敏傳感器元件性能。

我們列舉以下兩類半導(dǎo)體氣敏傳感器。

第一類稱為電阻控制性氣敏傳感器。其原理為當(dāng)Sn02，ZnO等金屬氧化物半導(dǎo)體表面接觸被測(cè)氣體后，由于不同物質(zhì)接受電子能級(jí)不同，引起氣敏材料的電阻率變化，這類氣敏元件主要監(jiān)測(cè)含氫元素的氣體分子。如氫氣，氨氣，硫化氫，酒精蒸汽，乙烯等。

第二類稱為電壓控制型氣敏傳感器，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要包括半導(dǎo)體單晶硅制成的。MOs場(chǎng)效應(yīng)器件和利用隧道效應(yīng)制成的金屬／半導(dǎo)體氣敏二極管，它可以用來監(jiān)測(cè)像co等這一類不含氫元素的氣體。

本文最后簡(jiǎn)要地介紹一種水分傳感器。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要測(cè)量水分的物質(zhì)種類繁多。物質(zhì)中的水分以兩種形式存在：一種稱為游離水或自由水，它分布于物質(zhì)的表面與間隙中。如海綿吸附的水和木材間隙中的水分均屬此類。另一種是結(jié)合水，指物質(zhì)中靠物理和化學(xué)作用于水分子相結(jié)合的水分。如植物細(xì)胞壁中的水等。

水分的測(cè)量方法有直接法（如干燥法，蒸餾法等）和間接法（如電導(dǎo)法，電容法，微波法，中子法。核磁法，紅外法，色譜法等）。本文介紹的水分傳感器屬于后者。

電導(dǎo)式（電阻式）水分傳感器的基本工作原理是物質(zhì)電導(dǎo)（或電阻）隨其含水率的不同而變化。然而物質(zhì)的實(shí)際電導(dǎo)（電阻）并不是含水率的單值函數(shù)關(guān)系。除水分外，它還與物質(zhì)的性質(zhì)，水質(zhì)，品種，密度，粒度，雜質(zhì)，空氣溫度與濕度有關(guān)。因此，用電導(dǎo)式水分計(jì)時(shí)除了在傳感器設(shè)計(jì)上要設(shè)法消除諸如密度，粒度，品種，溫度的影響，還應(yīng)該在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)置隨機(jī)相關(guān)函數(shù)，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法求出實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。除了電導(dǎo)式水分傳感器外，還可以利用吸濕物質(zhì)的介電常數(shù)隨含水量增加而變大的特性設(shè)計(jì)出電容式水分傳感器；利用電磁波通過含水物質(zhì)時(shí)電磁波部分被水吸收從而強(qiáng)度減弱而設(shè)計(jì)微波式水分傳感器；利用中子源發(fā)射的快中子遇含有氫原子核的物質(zhì)（即水），因互相發(fā)生碰撞而減速為慢中子，從測(cè)量慢中子的密度即可測(cè)出水分含量；紅外式水分計(jì)是利用水分對(duì)1．94μm波長(zhǎng)的紅外輻射有強(qiáng)烈的吸收作用設(shè)計(jì)制造的。

最后，作為應(yīng)用實(shí)例，介紹一種利用光敏電阻RG制作的無觸點(diǎn)日光燈起輝器，電路可供各中學(xué)學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)制作用。圖2中，光敏電阻RG選用硫化鍋電阻，其暗阻大于4MΩ，亮阻小于2kΩ，VD選用IN4007整流二極管；DW選用擊穿電壓為10V～15V穩(wěn)壓二極管，VS選用MCR100－6可控硅。

總之，各種傳感器廣泛應(yīng)用了物理學(xué)中從力學(xué)到近代物理各部分基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際開發(fā)研制而成，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展。