传感器原理

传感器是什么？

广义上说，传感器是一种能够感知外部信息并将其转换为可用信号的装置；简单地说，传感器是将外部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。敏感元器件种类繁多，可分为感知外部信息的原理①基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学，基于化学反应的原理。③基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物学。一般根据其基本感知功能，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、放射敏元件、色敏元件、味敏元件等十大类(有人曾将传感器分为46类)。常用的热敏、光敏、气敏、力敏、磁敏传感器及其敏感元件如下：

一 温度传感器和热敏元件

温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元销售的热敏元件有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶和半导体热敏电阻。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，因为半导体热敏电阻具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，制造工艺简单，价格低廉。
1.半导体热敏电阻的工作原理

根据温度特性，热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。

⑴ 正温度系数热敏电阻的工作原理

这种热敏电阻是钛酸钡（BaTio3)为基础材料，加入适量稀土元素，高温烧结成陶瓷工艺。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但加入适量稀土元素，如兰（La）和铌（Nb）之后变成半导体材料，称为半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料，晶粒界面存在于晶粒之间，晶粒界面相当于导电电子的位置障碍。当温度较低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子容易越过位障，因此电阻值较小；当温度升高到居住温度（即临界温度，该元件的温度控制点时 钛酸钡的一般居里点是120℃）内电场损坏，无法帮助导电电子越过位垒，因此电阻值急剧增加。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，非常适合电机等电气设备的过热探测。

⑵ 负温度系数热敏电阻的工作原理

负温度系数热敏电阻由氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铝等金属氧化物制成。这些金属氧化物材料具有半导体性质，与锗和硅晶体材料完全相似。体内载流子（电子和空穴）数量少，电阻高；温度升高，体内载流子数量增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻有很多种，用来区分低温(-60~300℃）、中温（300～600℃）、高温（>600℃）三，具有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于冰箱、空调、温室等温度控制系统。

热敏电阻与简单的放大电路相结合，可以检测千分之一度的温度变化，因此与电子仪器组成温度计，可以完成高精度的温度测量。热敏电阻的工作温度为-55℃～ 315℃，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃，可达-273℃。
2.热敏电阻型号

国产热敏电阻按部颁标准SJ由四部分组成的1155-82制定型号。

第一部分：主称，用字母‘M’表示 敏感元件。

第二部分：类别，使用字母Z表示正温度系数热敏电阻器或使用字母F表示负温度系数热敏电阻器。

第三部分:用一位数字(0-9)表示用途或特征。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(负温度系数热敏电阻器)，5表示温度测量用途，6表示温度控制用途，7表示消磁用途(正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，也用数字表示，代表规格和性能。

为了区分本系列产品的特殊需要，制造商通常在序号后添加衍生序号，由字母、数字和-号组成。 MZ11
3.热敏电阻器的主要参数

各种热敏电阻器的工作条件必须在其出厂参数的允许范围内。热敏电阻的主要参数有十多个：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。标称电阻值为25℃事实上，零功率时的电阻值总是有一定的误差，应该在正负10%以内。普通热敏电阻的工作温度范围较大，可根据需要从-55开始℃到 315℃值得注意的是，不同类型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 125℃，而MF53-1仅为 70℃，学生实验时要注意(一般不超过500)℃）。

4 热敏电阻的实验选择

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。如果选择温度系数热敏电阻器，实验温度应接近元件的内点温度。例MF热敏电阻器参数11 。

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（k欧） 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

工作温度最高（℃） 125

对于热敏电阻的粗测值，应选择量程适中、热敏电阻测量电流小的万用表。若热敏电阻10k欧；左右，可选MF10型万用表将其挡位开关拨到欧姆挡RX用鳄鱼夹代替表笔夹住热敏电阻的两引脚。当环境温度明显低于体温时，读数为10.2k ,用手握住热敏电阻，可以看到表针指示的电阻值逐渐减小；松开手后，电阻值增加，逐渐恢复。可选择此类热敏电阻(最高工作温度100℃左右）。

几种实用的温度测量传感器

a空调专用温控传感器：铜金属中密封热敏元件。

b 温度测量传感器

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。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。

1.光敏电阻器

光敏电阻器由半导体光电晶体组成 ，由于半导体光电晶体成分不同，可见光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光敏电阻（砷化镓晶体）和紫外光敏电阻（硫化锌晶体）。当光半导体光电晶体表面的敏感波长时，晶体内的载流子增加，导电性增加（即电阻降低）。

光敏电阻的主要参数：

◆光电流 、亮阻:有光(100lx照明)照射时，流过光敏电阻的电流称为光电流；外加电压与电流的比例为亮阻，一般为几k欧~几十k欧。

◆暗电流和暗电阻：在一定的外在一定的外加电压下（ 0 lx照明)照射时，流过光敏电阻的电流称为暗电流；外加电压与电流的比例为暗电阻，一般在几百k欧~几千k欧以上。

◆最大工作电压:一般几十伏到几百伏。

◆环境温度：一般-25℃至 55℃，有些型号可以-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选择多种规格。

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

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)安特性不是线性的，例如CdS(硫化镉)光敏电阻的光阻有时随温度的升高而增大，有时随温度的升高而降低。

硫化镉光敏电阻器参数：

型号规格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
环境温度（℃） -40～ 60 -25～ 55 -40～ 70 -40～ 70

额定功率（mW） 20 10 5 200

亮阻，100lx（k欧） <=2 <=50 <=2 <=2

暗阻， 0lx（M欧） >=1 >=10 >=0.2 >=1

响应时间 （ms） <=20 <=20 <=20 <=20

工作电压最高（v） 100 50 20 250

2 光电二极管

与普通二极管相比，除了它的管芯也是一个PN除了单向导电性能外，其他都有很大的不同。首先在管芯内PN为了提高光电转换能力，结结深较浅(小于1微米)PN结面积相对较大，电极面积非常小，有利于光敏表面收集更多的光；第三光电二极管外观用有机玻璃透镜密封，可聚集光在光敏表面"窗口"；因此，光电二极管的灵敏度和响应时间远远优于光敏电阻。

几种常见的光电二极管及符号如下：

2DU有三个极：前极、后极和环极。其中，环极是为了降低光电二极管的暗电流，提高工作稳定性而设计的。在应用过程中，需要连接电源正极。光电二极管的主要参数为：最高工程电压（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ns）、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RX1K挡，避光测正向电阻应10K欧～200 K欧，反向应无穷;，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0.8～1.15 ml/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。