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檢測設備傳感器的原理（一）
日期：2024-06-20 22:47
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摘要：檢測設備傳感器的原理（一）
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律將這些信息轉換成可用信號的裝置；簡(jiǎn)單說(shuō)傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成，有的半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器。
敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來(lái)講，可分為①物理類(lèi)，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。②化學(xué)類(lèi)，基于化學(xué)反應的原理。③生物類(lèi)，基于酶、抗體、和**等分子識別功能。
通常據其基本感知功能可分為熱敏元件...
檢測設備傳感器的原理（一）
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律將這些信息轉換成可用信號的裝置；簡(jiǎn)單說(shuō)傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成，有的半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器。
敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來(lái)講，可分為①物理類(lèi)，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。②化學(xué)類(lèi)，基于化學(xué)反應的原理。③生物類(lèi)，基于酶、抗體、和**等分子識別功能。
通常據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(xiàn)敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(lèi)（還有人曾將傳感器分 46 類(lèi)）。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(chǎng)上銷(xiāo)售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導體熱敏電阻等。以半導體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內，半導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(jiǎn)單、價(jià)格低廉。
1. 半導體熱敏電阻的工作原理
按溫度特性熱敏電阻可分為兩類(lèi)，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數熱敏電阻，反之為負溫度系數熱敏電阻。
⑴ 正溫度系數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，利用陶瓷工藝高溫燒結爾成。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，變成了半導體材料，被稱(chēng)半導體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著(zhù)晶粒界面，對于導電電子而言，晶粒間界面相當于一個(gè)位壘。當溫度低時(shí)，由于半導體化鈦酸鋇內電場(chǎng)的作用，導電電子可以很容易越過(guò)位壘，所以電阻值較??；當溫度升高到居里點(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)，內電場(chǎng)受到破壞，不能幫助導電電子越過(guò)位壘，所以表現為電阻值的急劇增加。因為這種元件具有未達居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調溫和自動(dòng)控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無(wú)明火，不易燃燒，電壓交、直流 3 ～ 440V 均可，使用壽命長(cháng)，非常適用于電動(dòng)機等電器裝置的過(guò)熱探測。
⑵ 負溫度系數熱敏電阻的工作原理
負溫度系數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體性質(zhì)，完全類(lèi)似于鍺、硅晶體材料，體內的載流子（電子和空穴）數目少，電阻較高；溫度升高，體內載流子數目增加，自然電阻值降低。負溫度系數熱敏電阻類(lèi)型很多，使用區分低溫（ -60 ～ 300 ℃）、中溫（ 300 ～ 600 ℃）、高溫（ >600 ℃）三種，有靈敏度高、穩定性好、響應快、壽命長(cháng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于需要定點(diǎn)測溫的溫度自動(dòng)控制電路，如冰箱、空調、溫室等的溫控系統。
熱敏電阻與簡(jiǎn)單的放大電路結合，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，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 ℃，特殊低溫熱敏電阻的工作溫度低于 -55 ℃，可達 -273 ℃。
2. 熱敏電阻的型號
我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標準 SJ1155-82 來(lái)制定型號，由四部分組成。
**部分：主稱(chēng)，用字母‘ M ’表示 敏感元件。
**部分：類(lèi)別，用字母‘ Z ’表示正溫度系數熱敏電阻器，或者用字母‘ F ’表示負溫度系數熱敏電阻器。
第三部分：用途或特征，用一位數字（ 0-9 ）表示。一般數字‘ 1 ’表示普通用途，‘ 2 ’表示穩壓用途（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 3 ’表示微波測量用途（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 4 ’表示旁熱式（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 5 ’表示測溫用途，‘ 6 ’表示控溫用途，‘ 7 ’表示消磁用途（正溫度系數熱敏電阻器），‘ 8 ’表示線(xiàn)性型（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 9 ’表示恒溫型（正溫度系數熱敏電阻器），‘ 0 ’表示特殊型（負溫度系數熱敏電阻器）
第四部分：序號，也由數字表示，代表規格、性能。
往往廠(chǎng)家出于區別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號后加‘派生序號’，由字母、數字和‘ - ’號組合而成。
例： M Z 1 1
3. 熱敏電阻器的主要參數
各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其出廠(chǎng)參數允許范圍之內。熱敏電阻的主要參數有十余項：標稱(chēng)電阻值、使用環(huán)境溫度（*高工作溫度）、測量功率、額定功率、標稱(chēng)電壓（*大工作電壓）、工作電流、溫度系數、材料常數、時(shí)間常數等。其中標稱(chēng)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，應在± 10% 之內。普通熱敏電阻的工作溫度范圍較大，可根據需要從 -55 ℃到 +315 ℃選擇，值得注意的是，不同型號熱敏電阻的*高工作溫度差異很大，如 MF11 片狀負溫度系數熱敏電阻器為 +125 ℃，而 MF53-1 僅為 +70 ℃，學(xué)生實(shí)驗時(shí)應注意（一般不要超過(guò) 50 ℃）。
4 實(shí)驗用熱敏電阻選擇
優(yōu)選普通用途負溫度系數熱敏電阻器，因它隨溫度變化一般比正溫度系數熱敏電阻器易觀(guān)察，電阻值連續下降明顯。若選正溫度系數熱敏電阻器，實(shí)驗溫度應在該元件居里點(diǎn)溫度附近。
例 :MF11 普通負溫度系數熱敏電阻器參數
主要技術(shù)參數名稱(chēng) 參數值 MF11 熱敏電阻符號外形圖
標稱(chēng)阻值（ k Ω） 10 ～ 15 片狀外形 符號
額定功率 （ W ） 0.25
材料常數 B 范圍（ k ） 1980 ～ 3630
溫度系數（ 10-2/ ℃） - （ 2.23 ～ 4.09 ）
耗散系數（ mW/ ℃） ≥ 5
時(shí)間常數（ s ） ≤ 30
*高工作溫度（℃） 125
粗測熱敏電阻的值，宜選用量程適中且通過(guò)熱敏電阻測量電流較小萬(wàn)用表。若熱敏電阻 10k Ω左右，可以選用 MF10 型萬(wàn)用表，將其擋位開(kāi)關(guān)撥到歐姆擋 R × 100 ，用鱷魚(yú)夾代替表筆分別夾住熱敏電阻的兩引腳。在環(huán)境溫度明顯低于體溫時(shí)，讀數 10.2k , 用手捏住熱敏電阻，可看到表針指示的阻值逐漸減??；松開(kāi)手后，阻值加大，逐漸復原。這樣的熱敏電阻可以選用（*高工作溫度 100 ℃左右）。
幾種實(shí)用測溫傳感器
a 空調內專(zhuān)用溫控傳感器：熱敏元件封在銅金屬中。
b 氣溫測量傳感器
二 光傳感器及光敏元件
光傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應用廣泛。市場(chǎng)出售的有光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池等。
1. 光敏電阻器
光敏電阻器由能透光的半導體光電晶體構成 ，因半導體光電晶體成分不同，又分為可見(jiàn)光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化鎵晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當敏感波長(cháng)的光照半導體光電晶體表面，晶體內載流子增加，使其電導率增加（即電阻減?。?。
光敏電阻的主要參數：
◆光電流 、亮阻：在一定外加電壓下，當有光（ 100lx 照度）照射時(shí)，流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)光電流；外加電壓與該電流之比為亮阻，一般幾 k Ω～幾十 k Ω。
◆暗電流、暗阻：在一定外加電壓下，當無(wú)光（ 0 lx 照度）照射時(shí)，流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)暗電流；外加電壓與該電流之比為暗阻，一般幾百 k Ω～幾千 k Ω以上。
時(shí)代傳感器產(chǎn)品咨詢(xún)專(zhuān)線(xiàn)：010-62959511、62952933
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律將這些信息轉換成可用信號的裝置；簡(jiǎn)單說(shuō)傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成，有的半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器。
敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來(lái)講，可分為①物理類(lèi)，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。②化學(xué)類(lèi)，基于化學(xué)反應的原理。③生物類(lèi)，基于酶、抗體、和**等分子識別功能。
通常據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(xiàn)敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(lèi)（還有人曾將傳感器分 46 類(lèi)）。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(chǎng)上銷(xiāo)售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導體熱敏電阻等。以半導體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛，這是因為在元件允許工作條件范圍內，半導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(jiǎn)單、價(jià)格低廉。
1. 半導體熱敏電阻的工作原理
按溫度特性熱敏電阻可分為兩類(lèi)，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數熱敏電阻，反之為負溫度系數熱敏電阻。
⑴ 正溫度系數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，利用陶瓷工藝高溫燒結爾成。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，變成了半導體材料，被稱(chēng)半導體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著(zhù)晶粒界面，對于導電電子而言，晶粒間界面相當于一個(gè)位壘。當溫度低時(shí)，由于半導體化鈦酸鋇內電場(chǎng)的作用，導電電子可以很容易越過(guò)位壘，所以電阻值較??；當溫度升高到居里點(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)，內電場(chǎng)受到破壞，不能幫助導電電子越過(guò)位壘，所以表現為電阻值的急劇增加。因為這種元件具有未達居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調溫和自動(dòng)控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無(wú)明火，不易燃燒，電壓交、直流 3 ～ 440V 均可，使用壽命長(cháng)，非常適用于電動(dòng)機等電器裝置的過(guò)熱探測。
⑵ 負溫度系數熱敏電阻的工作原理
負溫度系數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體性質(zhì)，完全類(lèi)似于鍺、硅晶體材料，體內的載流子（電子和空穴）數目少，電阻較高；溫度升高，體內載流子數目增加，自然電阻值降低。負溫度系數熱敏電阻類(lèi)型很多，使用區分低溫（ -60 ～ 300 ℃）、中溫（ 300 ～ 600 ℃）、高溫（ >600 ℃）三種，有靈敏度高、穩定性好、響應快、壽命長(cháng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于需要定點(diǎn)測溫的溫度自動(dòng)控制電路，如冰箱、空調、溫室等的溫控系統。
熱敏電阻與簡(jiǎn)單的放大電路結合，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，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 ℃，特殊低溫熱敏電阻的工作溫度低于 -55 ℃，可達 -273 ℃。
2. 熱敏電阻的型號
我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標準 SJ1155-82 來(lái)制定型號，由四部分組成。
**部分：主稱(chēng)，用字母‘ M ’表示 敏感元件。
**部分：類(lèi)別，用字母‘ Z ’表示正溫度系數熱敏電阻器，或者用字母‘ F ’表示負溫度系數熱敏電阻器。
第三部分：用途或特征，用一位數字（ 0-9 ）表示。一般數字‘ 1 ’表示普通用途，‘ 2 ’表示穩壓用途（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 3 ’表示微波測量用途（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 4 ’表示旁熱式（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 5 ’表示測溫用途，‘ 6 ’表示控溫用途，‘ 7 ’表示消磁用途（正溫度系數熱敏電阻器），‘ 8 ’表示線(xiàn)性型（負溫度系數熱敏電阻器），‘ 9 ’表示恒溫型（正溫度系數熱敏電阻器），‘ 0 ’表示特殊型（負溫度系數熱敏電阻器）
第四部分：序號，也由數字表示，代表規格、性能。
往往廠(chǎng)家出于區別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號后加‘派生序號’，由字母、數字和‘ - ’號組合而成。
例： M Z 1 1
3. 熱敏電阻器的主要參數
各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其出廠(chǎng)參數允許范圍之內。熱敏電阻的主要參數有十余項：標稱(chēng)電阻值、使用環(huán)境溫度（*高工作溫度）、測量功率、額定功率、標稱(chēng)電壓（*大工作電壓）、工作電流、溫度系數、材料常數、時(shí)間常數等。其中標稱(chēng)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，應在± 10% 之內。普通熱敏電阻的工作溫度范圍較大，可根據需要從 -55 ℃到 +315 ℃選擇，值得注意的是，不同型號熱敏電阻的*高工作溫度差異很大，如 MF11 片狀負溫度系數熱敏電阻器為 +125 ℃，而 MF53-1 僅為 +70 ℃，學(xué)生實(shí)驗時(shí)應注意（一般不要超過(guò) 50 ℃）。
4 實(shí)驗用熱敏電阻選擇
優(yōu)選普通用途負溫度系數熱敏電阻器，因它隨溫度變化一般比正溫度系數熱敏電阻器易觀(guān)察，電阻值連續下降明顯。若選正溫度系數熱敏電阻器，實(shí)驗溫度應在該元件居里點(diǎn)溫度附近。
例 :MF11 普通負溫度系數熱敏電阻器參數
主要技術(shù)參數名稱(chēng) 參數值 MF11 熱敏電阻符號外形圖
標稱(chēng)阻值（ k Ω） 10 ～ 15 片狀外形 符號
額定功率 （ W ） 0.25
材料常數 B 范圍（ k ） 1980 ～ 3630
溫度系數（ 10-2/ ℃） - （ 2.23 ～ 4.09 ）
耗散系數（ mW/ ℃） ≥ 5
時(shí)間常數（ s ） ≤ 30
*高工作溫度（℃） 125
粗測熱敏電阻的值，宜選用量程適中且通過(guò)熱敏電阻測量電流較小萬(wàn)用表。若熱敏電阻 10k Ω左右，可以選用 MF10 型萬(wàn)用表，將其擋位開(kāi)關(guān)撥到歐姆擋 R × 100 ，用鱷魚(yú)夾代替表筆分別夾住熱敏電阻的兩引腳。在環(huán)境溫度明顯低于體溫時(shí)，讀數 10.2k , 用手捏住熱敏電阻，可看到表針指示的阻值逐漸減??；松開(kāi)手后，阻值加大，逐漸復原。這樣的熱敏電阻可以選用（*高工作溫度 100 ℃左右）。
幾種實(shí)用測溫傳感器
a 空調內專(zhuān)用溫控傳感器：熱敏元件封在銅金屬中。
b 氣溫測量傳感器
二 光傳感器及光敏元件
光傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應用廣泛。市場(chǎng)出售的有光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池等。
1. 光敏電阻器
光敏電阻器由能透光的半導體光電晶體構成 ，因半導體光電晶體成分不同，又分為可見(jiàn)光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化鎵晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當敏感波長(cháng)的光照半導體光電晶體表面，晶體內載流子增加，使其電導率增加（即電阻減?。?。
光敏電阻的主要參數：
◆光電流 、亮阻：在一定外加電壓下，當有光（ 100lx 照度）照射時(shí)，流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)光電流；外加電壓與該電流之比為亮阻，一般幾 k Ω～幾十 k Ω。
◆暗電流、暗阻：在一定外加電壓下，當無(wú)光（ 0 lx 照度）照射時(shí)，流過(guò)光敏電阻的電流稱(chēng)暗電流；外加電壓與該電流之比為暗阻，一般幾百 k Ω～幾千 k Ω以上。
時(shí)代傳感器產(chǎn)品咨詢(xún)專(zhuān)線(xiàn)：010-62959511、62952933
