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【引用】传感器

一、传感器的意义

二、传感器及其元件的具体分析

三、传感器的具体分类

四、传感器的功能分类

一、传感器的意义及类型

什么叫传感器?

从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。

所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。

敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

②化学类，基于化学反应的原理。

③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。

下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。

二、传感器及其元件的具体分析

一温度传感器及热敏元件

温度传感器主要由热敏元件组成。

热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、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探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。

1.半导体热敏电阻的工作原理

按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增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工作原理

此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。

纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。

它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。

当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，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'温度控制点'一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。

因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3~440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。

⑵负温度系数热敏电阻的工作原理

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主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。

负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60~300℃）、中温（300~600℃）、高温（600℃）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。

热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千分之一度的温度变化，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。

普通用途热敏电阻工作温度为-55℃~+315℃，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃，可达-273℃。

2.热敏电阻的型号

我国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四部分组成。

第一部分：

主称，用字母'M'表示敏感元件。

第二部分：

类别，用字母'Z'表示正温度系数热敏电阻器，或者用字母'F'表示负温度系数热敏电阻器。

第三部分：

用途或特征，用一位数字（0-9）表示。

一般数字'1'表示普通用途，'2'表示稳压用途（负温度系数热敏电阻器），'3'表示微波测量用途（负温度系数热敏电阻器），'4'表示旁热式（负温度系数热敏电阻器），'5'表示测温用途，'6'表示控温用途，'7'表示消磁用途（正温度系数热敏电阻器），'8'表示线性型（负温度系数热敏电阻器），'9'表示恒温型（正温度系数热敏电阻器），'0'表示特殊型（负温度系数热敏电阻器）

第四部分：

序号，也由数字表示，代表规格、性能。

往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要，在序号后加'派生序号'，由字母、数字和'-'号组合而成。

例：

MZ11

3.热敏电阻器的主要参数

各种热敏电阻器的工作条件一定要在其出厂参数允许范围之内。

热敏电阻的主要参数有十余项：

标称电阻值、使用环境温度（最高工作温度）、测量功率、额定功率、标称电压（最大工作电压）、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。

其中标称电阻值是在25℃零功率时的电阻值，实际上总有一定误差，应在±10%之内。

普通热敏电阻的工作温度范围较大，可根据需要从-55℃到+315℃选择，值得注意的是，不同型号热敏电阻的最高工作温度差异很大，如MF11片状负温度系数热敏电阻器为+125℃，而MF53-1仅为+70℃，学生实验时应注意（一般不要超过50℃）。

4实验用热敏电阻选择

首选普通用途负温度系数热敏电阻器，因它随温度变化一般比正温度系数热敏电阻器易观察，电阻值连续下降明显。

若选正温度系数热敏电阻器，实验温度应在该元件居里点温度附近。

例MF11普通负温度系数热敏电阻器参数

主要技术参数名称参数值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

材料常数B范围（k）1980~3630

温度系数（10-2/℃）-（2.23~4.09）

耗散系数（mW/℃）≥5

时间常数（s）≤30

最高工作温度（℃）125

粗测热敏电阻的值，宜选用量程适中且通过热敏电阻测量电流较小万用表。

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，用鳄鱼夹代替表笔分别夹住热敏电阻的两引脚。

在环境温度明显低于体温时，读数10.2k,用手捏住热敏电阻，可看到表针指示的阻值逐渐减小；松开手后，阻值加大，逐渐复原。

这样的热敏电阻可以选用（最高工作温度100℃左右）。

几种实用测温传感器

a空调内专用温控传感器：

热敏元件封在铜金属中。

b气温测量传感器

二光传感器及光敏元件

光传感器主要由光敏元件组成。

目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。

市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）。

当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。

光敏电阻的主要参数：

◆光电流、亮阻：

在一定外加电压下，当有光（100lx照度）照射时，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：

在一定外加电压下，当无光（0lx照度）照射时，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。

◆最大工作电压：

一般几十伏至上百伏。

◆环境温度：

一般-25℃至+55℃，有的型号可以-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多种规格选择。

◆光敏电阻的主要参数还有响应时间、灵敏度、光谱响应、光照特性、温度系数、伏安特性等。

值得注意的是，光照特性（随光照强度变化的特性）、温度系数（随温度变化的特性）、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增加而增大，有时随温度的增加又变小。

硫化镉光敏电阻器的参数：

型号规格MG41-22MG42-16MG44-02MG45-52

环境温度（℃）-40~+60-25~+55-40~+70-40~+70

额定功率（mW）20105200

亮阻，100lx（kΩ）≤2≤50≤2≤2

暗阻，0lx（MΩ）≥1≥10≥0.2≥1

响应时间（ms）≤20≤20≤20≤20

最高工作电压（v）10050202502光电二极管

和普通二极管相比，除它的管芯也是一个PN结、具有单向导电性能外，其他均差异很大。

首先管芯内的PN结结深比较浅（小于1微米），以提高光电转换能力；第二PN结面积比较大，电极面积则很小，以有利于光敏面多收集光线；第三光电二极管在外观上都有一个用有机玻璃透镜密封、能汇聚光线于光敏面的"窗口"；所以光电二极管的灵敏度和响应时间远远优于光敏电阻。

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。

其中环极是为了减小光电二极管的暗电流和增加工作稳定性而设计增加的，应用时需要接电源正极。

光电二极管的主要参数有：

最高工作电压（10~50V）,暗电流（≤0.05~1微安），光电流（>6~80微安），光电灵敏度、响应时间（几十ns~几十μs）、结电容和正向压降等。

光电二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低；缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路。

适用于通讯及光电控制等电路。

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~200KΩ，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，由于具有放大功能，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，响应特性变坏。

广泛应用于低频的光电控制电路。

半导体光电器件还有MOS结构，如扫描仪、摄象头中常用的CCD（电荷耦合器件）就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

教材仅要求简单的热敏电阻和光敏电阻特性实验。

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。

例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8~1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。

利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%~0.5%范围的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探测的传感器。

常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。

接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃~400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。

电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。

半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；下面重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材料，属于N型半导体，在200~300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。

当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。

可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。

这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。

目前国产的气敏元件有2种。

一种是直热式，加热丝和测量电极一同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，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。

气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，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、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。

灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。

QM-N5气敏元件参数如下：

标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复时间≤30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热电压4.5~5.5V、测量回路电压5~15V、负载电阻0.5~2.2K。

下图为气敏元件的简单测试电路（组成传感器），电压表指针变化越大，灵敏度越高；只要加一简单电路可实现报警。

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

力敏传感器的种类甚多，传统的测量方法是利用弹性材料的形变和位移来表示。

随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应（即对其某一方向施加压力，其电阻率就发生变化）和良好的弹性，已经研制出体积小、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测量。

五磁敏传感器和磁敏元件

目前磁敏元件有霍尔器件（基于霍尔效应）、磁阻器件（基于磁阻效应：

外加磁场使半导体的电阻随磁场的增大而增加。

）、磁敏二极管和三极管等。

以磁敏元件为基础的磁敏传感器在一些电、磁学量和力学量的测量中广泛应用。

在一定意义上传感器与人的感官有对应的关系，其感知能力已远超过人的感官。

例如利用目标自身红外辐射进行观察的红外成像系统（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，伊拉克的坦克配置的夜视仪探测距离仅800米，还不及美英联军的一半，黑暗中被打得惨败是必然的。

目前世界各国都将传感器技术列为优先发展的高新技术的重点。

为了大幅度提供传感器的性能，将不断采用新结构、新材料和新工艺，向小型化、集成化和智能的方向发展。

三、传感器的领域分类

可以用不同的观点对传感器进行分类：

它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。

化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。

1.按照其用途，传感器可分类为：

压力敏和力敏传感器位置传感器

液面传感器能耗传感器

速度传感器加速度传感器

射线辐射传感器热敏传感器

24GHz雷达传感器

2.按照其原理，传感器可分类为：

振动传感器湿敏传感器

磁敏传感器气敏传感器

真空度传感器生物传感器等。

以其输出信号为标准可将传感器分为：

模拟传感器--将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器--将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。

膺数字传感器--将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。

开关传感器--当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。

它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。

从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

（1）按照其所用材料的类别分为

金属、聚合物、陶瓷、混合物

（2）按材料的物理性质分类可分为：

导体、绝缘体、半导体、磁性材料

（3）按材料的晶体结构分类可分为：

单晶、多晶、非晶材料

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

（1）在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

（2）探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

（3）在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。

传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。

按照其制造工艺，可以将传感器区分为：

集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。

通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。

使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产。

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。

厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。

由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

四、传感器的功能分类

传感器按照其功用分类可分为这里以天津优姆金所供应的宜科传感器为例具体介绍一下：

一、电感式传感器：

利用缠绕在铁氧体磁芯上的线圈而构成的LC振荡电路产生的一个高频交变的磁场在金属性导电物体接近磁场并到达感应区时，通过金属物体内部产生的涡流效应来达到非接触式检测。

安装模式分为：

齐平安装和非齐平安装

特殊应用型电感式传感器：

特殊环境需要特殊的出阿甘器，为了适应这种环境，UMA--ELCO还研发了能够提供特殊应用型的传感器。

二、电容式传感器

电容式传感器的感受应面由两个同轴金属电机构成，很像"打开的"电容器的电极！

三、超声波传感器

超声波传感器是利用声波介质对被检测物进行非接触式和无耗损的检测。

超声波传感器（漫反射和反射板式）周期性发出脉冲，如脉冲被物体反射，反射回来的声波会被接收并转为电信号。

对反射回来的声波的检测决定于声波的强度，而强度是由物体和感应头支架的距离所决定。

其工作原理是"回声延时"即声波发出和声波返回之间的时间差。

此外，超声波传感器（对射式），发射器向接收器发出一束窄带声音，接收器会分析超声波信号，当遇到物体时，接收器就会有输出。

超声波传感器无论是对透明的物体还是有颜色的物体、金属物体或非金属物体以及固体、液体或粉状物体都能检测，几乎不受外界环境影响。

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1、世事忙忙如水流，休将名利挂心头。

粗茶淡饭随缘过，富贵荣华莫强求。

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事能常足，心常惬，人到无求品自高。

3、人生至恶是善谈人过；人生至愚恶闻己过。