传感器基础知识与口诀

 

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： M Z 1 1

序号

普通用途

正温度系数热敏电阻器

敏感元件

 

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）。

 

新教材热敏特性实验如图：

 

应将热敏电阻封装后再放入水中。最简单的封装是用长电工朔料套管，也可密封于类似的圆珠笔杆内。

 

下面是实测的一组数据。

 

编号 温度（℃） 电阻值（k）

1 15 14 R=R0expB（T-1-T0-1）T0=25+273KB:材料及结构常数（B是温度的函数）R0:标准温度T0时阻值

2 20 11

3 25 9.9

4 30 9.2

5 35 8.5

6 40 7.8

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官中。

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（ 0 lx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 MG41-22 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（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） 100 50 20 250

 

2、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~200 KΩ，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。

 

常见的光电三极管形状及符号如下：

 

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。

2 发动机传感器记忆口诀
 

一、空气流量计: 空气流量计，专门测空气; 进这个比例了多少气，就喷多少油，严格按比例!是多少~~ 14.7:1!

二、曲轴位置传感器:曲轴位置传感器，它的作用无人替;一旦信号丢失了，如何起动车不着;此时，电脑傻了眼，不知哪缸上止点! !

三、进压力传感器，用来间接测空气; 油门松开真空高，油门踩下真空低; 真空低时多喷油，中小负荷按比例! 要想寻它也容易，节气门后寻芳迹!

四、凸轮轴位置传感器，一般装在分电器; 若没装在分电器，凸轮轴前后去找去! 它的工作很简单，专测一缸上止点;报告电脑就算完，顺序点火顺序喷，缺它电脑玩不转.....

五、节气门位置传感器，负荷信号由它提; 五大工况要牢记，四个和它有关系! 翻板关闭是怠速信号电压零点几; 翻板开大负荷大，信号电压四点八; 不仅控制发动机，还能控制自变器!

六、氧传感器加热型氧传感器，排气管内测氧气用来控制空燃比，氧化锆是电解质，自己产生电动势;氧气多时供油稀，信号电压0.1; 氧气少电脑据此调油量，每10时燃气稠，信号电压0.9 ;秒中有8变，如果不变赶紧换!

七、爆震传感器压电爆震传感器，一般装在气缸体;一但测出震频率(6~ 9KHz),点火角儿向后移，爆震随之消失完，点火开始向前赶;控制点火最佳点，总在爆震区边缘!