傳感器基礎(chǔ)知識

傳感器基礎(chǔ)知識

什么叫傳感器？從廣義上講，傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉(zhuǎn)換器件兩部分組成，有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構(gòu)成傳感器。敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來講，可分為①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。②化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將傳感器分46類）。下面對常用的熱敏、光敏、氣敏、力敏和磁敏傳感器及其敏感元件介紹如下。
  一 溫度傳感器及熱敏元件
  溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導(dǎo)體熱敏電阻等。以半導(dǎo)體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛，這是因?yàn)樵谠试S工作條件范圍內(nèi)，半導(dǎo)體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點(diǎn)，而且制造工藝簡單、價(jià)格低廉。
  1 半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理
  按溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。
  ⑴ 正溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
  此種熱敏電阻以鈦酸鋇（BaTio3）為基本材料，再摻入適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)爾成。純鈦酸鋇是一種絕緣材料，但摻入適量的稀土元素如鑭（La）和鈮（Nb）等以后，變成了半導(dǎo)體材料，被稱半導(dǎo)體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對于導(dǎo)電電子而言，晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)位壘。當(dāng)溫度低時(shí)，由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場的作用，導(dǎo)電電子可以很容易越過位壘，所以電阻值較小；當(dāng)溫度升高到居里點(diǎn)溫度（即臨界溫度，此元件的‘溫度控制點(diǎn)’ 一般鈦酸鋇的居里點(diǎn)為120℃）時(shí)，內(nèi)電場受到破壞，不能幫助導(dǎo)電電子越過位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因?yàn)檫@種元件具有未達(dá)居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調(diào)溫和自動(dòng)控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無明火，不易燃燒，電壓交、直流3～440V均可，使用壽命長，非常適用于電動(dòng)機(jī)等電器裝置的過熱探測。
  ⑵ 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
  負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫（-60～300℃）、中溫（300～600℃）、高溫（>600℃）三種，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于需要定點(diǎn)測溫的溫度自動(dòng)控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。
  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(jì)，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℃。
  2 熱敏電阻的型號
  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
  序號
普通用途
  正溫度系數(shù)熱敏電阻器
  敏感元件
  3 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(xiàng)：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(shí)間常數(shù)等。其中標(biāo)稱電阻值是在25℃零功率時(shí)的電阻值，實(shí)際上總有一定誤差，應(yīng)在