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一文了解傳感器的那些小門道

發布時間：2019-03-14 責任編輯：lina

【導讀】傳感器由敏感元器件（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。

傳感器由敏感元器件（感知元件）hezhuanhuanqijianliangbufenzucheng，youdebandaotiminganyuanqijiankeyizhijieshuchudianxinhao，benshenjiugouchengchuanganqi。minganyuanqijianpinzhongfanduo，jiuqiganzhiwaijiexinxideyuanlilaijiang，kefenwei①物理類，基於力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。②化學類，基於化學反應的原理。③生物類，基於酶、抗體、和激素等分子識別功能。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）。下麵對常用的熱敏、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、redianoujibandaotiremindianzudeng。yibandaotiremindianzuweitanceyuanjiandewenduchuanganqiyingyongguangfan，zheshiyinweizaiyuanjianyunxugongzuotiaojianfanweinei，bandaotiremindianzuqijuyoutijixiao、靈敏度高、精度高的特點，而且製造工藝簡單、價格低廉。

一文了解傳感器的那些小門道

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，隨溫度上升電阻增加的為正溫度係數熱敏電阻，反之為負溫度係數熱敏電阻。

⑴ 正溫度係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）和铌（Nb）dengyihou，bianchenglebandaoticailiao，beichengbandaotihuataisuanbei。tashiyizhongduojingticailiao，jinglizhijiancunzaizhejinglijiemian，duiyudaodiandianzieryan，jinglijianjiemianxiangdangyuyigeweilei。dangwendudishi，youyubandaotihuataisuanbeineidianchangdezuoyong，daodiandianzikeyihenrongyiyueguoweilei，suoyidianzuzhijiaoxiao；當溫度升高到居裏點溫度（即臨界溫度，此元件的‘溫度控製點'' 一般鈦酸鋇的居裏點為120℃）時(shi)，內(nei)電(dian)場(chang)受(shou)到(dao)破(po)壞(huai)，不(bu)能(neng)幫(bang)助(zhu)導(dao)電(dian)電(dian)子(zi)越(yue)過(guo)位(wei)壘(lei)，所(suo)以(yi)表(biao)現(xian)為(wei)電(dian)阻(zu)值(zhi)的(de)急(ji)劇(ju)增(zeng)加(jia)。因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)元(yuan)件(jian)具(ju)有(you)未(wei)達(da)居(ju)裏(li)點(dian)前(qian)電(dian)阻(zu)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)非(fei)常(chang)緩(huan)慢(man)，具(ju)有(you)恒(heng)溫(wen)、調溫和自動控溫的功能，隻發熱，不發紅，無明火，不易燃燒，電壓交、直流3~440V均可，使用壽命長，非常適用於電動機等電器裝置的過熱探測。

⑵ 負溫度係數熱敏電阻的工作原理

負溫度係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，采用陶瓷工藝製造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，完全類似於鍺、矽晶體材料，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。負溫度係數熱敏電阻類型很多，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、價格低等優點，廣泛應用於需要定點測溫的溫度自動控製電路，如冰箱、空調、溫室等的溫控係統。

熱re敏min電dian阻zu與yu簡jian單dan的de放fang大da電dian路lu結jie合he，就jiu可ke檢jian測ce千qian分fen之zhi一yi度du的de溫wen度du變bian化hua，所suo以yi和he電dian子zi儀yi表biao組zu成cheng測ce溫wen計ji，能neng完wan成cheng高gao精jing度du的de溫wen度du測ce量liang。普pu通tong用yong途tu熱re敏min電dian阻zu工gong作zuo溫wen度du為wei-55℃~+315℃，特殊低溫熱敏電阻的工作溫度低於-55℃，可達-273℃。

2、熱敏電阻的型號

我國產熱敏電阻是按部頒標準SJ1155-82來製定型號，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’表示正溫度係數熱敏電阻器，或者用字母‘F’表示負溫度係數熱敏電阻器。

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（負溫度係數熱敏電阻器），‘3’表示微波測量用途（負溫度係數熱敏電阻器），‘4’表示旁熱式（負溫度係數熱敏電阻器），‘5’表示測溫用途，‘6’表示控溫用途，‘7’表示消磁用途（正溫度係數熱敏電阻器），‘8’表示線性型（負溫度係數熱敏電阻器），‘9’表示恒溫型（正溫度係數熱敏電阻器），‘0’表示特殊型（負溫度係數熱敏電阻器）

第四部分：序號，也由數字表示，代表規格、性能。

往往廠家出於區別本係列產品的特殊需要，在序號後加‘派生序號'',由字母、數字和''-’號組合而成。

例： M Z 1 1

序號

普通用途

正溫度係數熱敏電阻器

敏感元件

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參數允許範圍之內。熱敏電阻的主要參數有十餘項：標稱電阻值、使用環境溫度（最高工作溫度）、測量功率、額定功率、標稱電壓（最大工作電壓）、工作電流、溫度係數、材料常數、時間常數等。其中標稱電阻值是在25℃零功率時的電阻值，實際上總有一定誤差，應在±10%之內。普通熱敏電阻的工作溫度範圍較大，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最高工作溫度差異很大，如MF11片狀負溫度係數熱敏電阻器為+125℃，而MF53-1僅為+70℃，學生實驗時應注意（一般不要超過50℃）。

4、實驗用熱敏電阻選擇

首(shou)選(xuan)普(pu)通(tong)用(yong)途(tu)負(fu)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)器(qi)，因(yin)它(ta)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)一(yi)般(ban)比(bi)正(zheng)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)器(qi)易(yi)觀(guan)察(cha)，電(dian)阻(zu)值(zhi)連(lian)續(xu)下(xia)降(jiang)明(ming)顯(xian)。若(ruo)選(xuan)正(zheng)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)器(qi)，實(shi)驗(yan)溫(wen)度(du)應(ying)在(zai)該(gai)元(yuan)件(jian)居(ju)裏(li)點(dian)溫(wen)度(du)附(fu)近(jin)。

例MF11普通負溫度係數熱敏電阻器參數

主要技術參數名稱參數值 MF11熱敏電阻符號外形圖

標稱阻值（kΩ） 10~15 片狀外形符號

額定功率（W） 0.25

材料常數B範圍（k） 1980~3630

溫度係數（10-2/℃） -（2.23~4.09）

耗散係數（mW/℃） ≥5

時間常數（s） ≤30

最高工作溫度（℃） 125

粗測熱敏電阻的值，宜選用量程適中且通過熱敏電阻測量電流較小萬用表。若熱敏電阻10kΩ左右，可以選用MF10型萬用表，將其擋位開關撥到歐姆擋R×100,用鱷魚夾代替表筆分別夾住熱敏電阻的兩引腳。在環境溫度明顯低於體溫時，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小；鬆開手後，阻值加大，逐漸複原。這樣的熱敏電阻可以選用（最高工作溫度100℃左右）。

新教材熱敏特性實驗如圖：

應將熱敏電阻封裝後再放入水中。最簡單的封裝是用長電工朔料套管，也可密封於類似的圓珠筆杆內。

下麵是實測的一組數據。

編號溫度（℃）電阻值（k）

1 15 14 R=R0expB（T-1-T0-1）T0=25+273KB:材料及結構常數（B是溫度的函數）R0:標準溫度T0時阻值

2 20 11

3 25 9.9

4 30 9.2

5 35 8.5

6 40 7.8

幾種實用測溫傳感器

a空調內專用溫控傳感器：熱敏元件封在銅金屬官中。

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。目前光敏元件發展迅速、品種繁多、應用廣泛。市場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，又分為可見光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化镓晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當敏感波長的光照半導體光電晶體表麵，晶體內載流子增加，使其電導率增加（即電阻減小）。

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，流過光敏電阻的電流稱光電流；外加電壓與該電流之比為亮阻，一般幾kΩ~幾十kΩ。

暗電流、暗阻：在一定外加電壓下，當無光（ 0 lx照度）照射時，流過光敏電阻的電流稱暗電流；外加電壓與該電流之比為暗阻，一般幾百kΩ~幾千kΩ以上。

最大工作電壓：一般幾十伏至上百伏。

環境溫度：一般-25℃至 +55℃，有的型號可以-40℃至+70℃。

額定功率（功耗）：光敏電阻的亮電流與外電壓乘積；可有5mW至300mW多種規格選擇。

光敏電阻的主要參數還有響應時間、靈敏度、光譜響應、光照特性、溫度係數、伏安特性等。

值得注意的是，光照特性（隨光照強度變化的特性）、溫度係數（隨溫度變化的特性）、伏安特性不是線性的，如以CdS（硫化鎘）光敏電阻的光阻有時隨溫度的增加而增大，有時隨溫度的增加又變小。

硫化鎘光敏電阻器的參數：

型號規格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52

環境溫度（℃） -40~+60 -25~+55 -40~+70 -40~+70

額定功率（mW） 20 10 5 200

亮阻，100lx（kΩ） ≤2 ≤50 ≤2 ≤2

暗阻， 0lx（MΩ） ≥1 ≥10 ≥0.2 ≥1

響應時間（ms） ≤20 ≤20 ≤20 ≤20

最高工作電壓（v） 100 50 20 250

2、光電二極管

和普通二極管相比，除它的管芯也是一個PN結、具有單向導電性能外，其他均差異很大。首先管芯內的PN結結深比較淺（小於1微米），以提高光電轉換能力；第二PN結麵積比較大，電極麵積則很小，以有利於光敏麵多收集光線；第三光電二極管在外觀上都有一個用有機玻璃透鏡密封、能彙聚光線於光敏麵的“窗口”;所以光電二極管的靈敏度和響應時間遠遠優於光敏電阻。

常見的幾種光電二極管及符號如下：

2DU有前極、後極、環(huan)極(ji)三(san)個(ge)極(ji)。其(qi)中(zhong)環(huan)極(ji)是(shi)為(wei)了(le)減(jian)小(xiao)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)的(de)暗(an)電(dian)流(liu)和(he)增(zeng)加(jia)工(gong)作(zuo)穩(wen)定(ding)性(xing)而(er)設(she)計(ji)增(zeng)加(jia)的(de)，應(ying)用(yong)時(shi)需(xu)要(yao)接(jie)電(dian)源(yuan)正(zheng)極(ji)。光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)的(de)主(zhu)要(yao)參(can)數(shu)有(you)：最高工作電壓（10~50V），暗電流（≤0.05~1微安），光電流（>6~80微安），光電靈敏度、響應時間（幾十ns~幾十μs）、結電容和正向壓降等。

光電二極管的優點是線性好，響應速度快，對寬範圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點是單獨使用輸出電流（或電壓）很小，需要加放大電路。適用於通訊及光電控製等電路。

光電二極管的檢測可用萬用表R×1K擋，避光測正向電阻應10KΩ~200 KΩ，反向應∞，去掉遮光物後向右偏轉角越大，靈敏度越高。

光電三極管可以視為一個光電二極管和一個三極管的組合元件，由於具有放大功能，所以其暗電流、光電流和光電靈敏度比光電二極管要高得多，但結構原因使結電容加大，響應特性變壞。廣泛應用於低頻的光電控製電路。

常見的光電三極管形狀及符號如下：

半導體光電器件還有MOS結構，如掃描儀、攝象頭中常用的CCD（電荷耦合器件）就是集成的光電二極管或MOS結構的陣列。

三、氣敏傳感器及氣敏元件

教jiao材cai僅jin要yao求qiu簡jian單dan的de熱re敏min電dian阻zu和he光guang敏min電dian阻zu特te性xing實shi驗yan。由you於yu氣qi體ti與yu人ren類lei的de日ri常chang生sheng活huo密mi切qie相xiang關guan，對dui氣qi體ti的de檢jian測ce已yi經jing是shi保bao護hu和he改gai善shan生sheng態tai居ju住zhu環huan境jing不bu可ke缺que少shao手shou段duan，氣qi敏min傳chuan感gan器qi發fa揮hui著zhe極ji其qi重zhong要yao的de作zuo用yong。例li如ru生sheng活huo環huan境jing中zhong的de一yi氧yang化hua碳tan濃nong度du達da0.8~1.15 ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥等狀態，達1.84ml/L時則有在幾分鍾內死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。利用SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，通過顆粒超微細化和摻雜工藝製備SnO2納米顆粒，並以此為基體摻雜一定催化劑，經適當燒結工藝進行表麵修飾，製成旁熱式燒結型CO敏感元件，能夠探測0.005%~0.5%範圍的CO氣體。還有許多易爆可燃氣體、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進行探測的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表麵塗鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300℃~400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。電化學氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電(dian)解(jie)質(zhi)，其(qi)輸(shu)出(chu)形(xing)式(shi)可(ke)以(yi)是(shi)氣(qi)體(ti)直(zhi)接(jie)氧(yang)化(hua)或(huo)還(hai)原(yuan)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)，也(ye)可(ke)以(yi)是(shi)離(li)子(zi)作(zuo)用(yong)於(yu)離(li)子(zi)電(dian)極(ji)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)動(dong)勢(shi)。半(ban)導(dao)體(ti)氣(qi)敏(min)傳(chuan)感(gan)器(qi)具(ju)有(you)靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)、響應快、穩定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；下麵重點介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件。

半導體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減小；P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導體氣敏材料，屬於N型半導體，在200~300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的可燃氣體（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表麵；氧yang脫tuo附fu放fang出chu電dian子zi，可ke燃ran行xing氣qi體ti以yi正zheng離li子zi狀zhuang態tai吸xi附fu也ye要yao放fang出chu電dian子zi，從cong而er使shi氧yang化hua物wu半ban導dao體ti導dao帶dai電dian子zi密mi度du增zeng加jia，電dian阻zu值zhi下xia降jiang。可ke燃ran性xing氣qi體ti不bu存cun在zai了le，金jin屬shu氧yang化hua物wu半ban導dao體ti又you會hui自zi動dong恢hui複fu氧yang的de負fu離li子zi吸xi附fu，使shi電dian阻zu值zhi升sheng高gao到dao初chu始shi狀zhuang態tai。這zhe就jiu是shi半ban導dao體ti氣qi敏min元yuan件jian檢jian測ce可ke燃ran氣qi體ti的de基ji本ben原yuan理li。

目前國產的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結在金屬氧化物半導體管芯內；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內穿加熱絲，管外側有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經高溫燒結而成。

氣敏元件的參數主要有加熱電壓、電流，測量回路電壓，靈敏度，響應時間，恢複時間，標定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用於天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬於N型半導體元件。靈敏度較高，穩定性較好，響應和恢複時間短，市場上應用廣泛。QM-N5氣敏元件參數如下：標定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓≥2V,響應時間≤10S,恢複時間≤30S,最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負載電阻RL為2K,允許工作條件加熱電壓4.5~5.5V、測量回路電壓5~15V、負載電阻0.5~2.2K.下圖為氣敏元件的簡單測試電路（組成傳感器），電壓表指針變化越大，靈敏度越高；隻要加一簡單電路可實現報警。常見的氣敏元件還有MQ-31（專用於檢測CO），QM-J1酒敏元件等。

四、力敏傳感器和力敏元件

力敏傳感器的種類甚多，傳統的測量方法是利用彈性材料的形變和位移來表示。隨著微電子技術的發展，利用半導體材料的壓阻效應（即對其某一方向施加壓力，其電阻率就發生變化）和良好的彈性，已經研製出體積小、重量輕、靈敏度高的力敏傳感器，廣泛用於壓力、加速度等物理力學量的測量。

五、磁敏傳感器和磁敏元件

目前磁敏元件有霍爾器件（基於霍爾效應）、磁阻器件（基於磁阻效應：外加磁場使半導體的電阻隨磁場的增大而增加。）、磁敏二極管和三極管等。以磁敏元件為基礎的磁敏傳感器在一些電、磁學量和力學量的測量中廣泛應用。

在一定意義上傳感器與人的感官有對應的關係，其感知能力已遠超過人的感官。例如利用目標自身紅外輻射進行觀察的紅外成像係統（夜像儀），黑夜中可1000米發現人，2000米發現車輛；熱像儀的核心部件是紅外傳感器。1991年海灣戰爭中，伊拉克的坦克配置的夜視儀探測距離僅800米mi，還hai不bu及ji美mei英ying聯lian軍jun的de一yi半ban，黑hei暗an中zhong被bei打da得de慘can敗bai是shi必bi然ran的de。目mu前qian世shi界jie各ge國guo都dou將jiang傳chuan感gan器qi技ji術shu列lie為wei優you先xian發fa展zhan的de高gao新xin技ji術shu的de重zhong點dian。為wei了le大da幅fu度du提ti供gong傳chuan感gan器qi的de性xing能neng，將jiang不bu斷duan采cai用yong新xin結jie構gou、新材料和新工藝，向小型化、集成化和智能的方向發展。

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