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IFM易福門傳感器入門知識(shí)

時(shí)間:2015/7/21閱讀:1326
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IFM易福門傳感器入門知識(shí)

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(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)成可用信的裝置;簡(jiǎn)單說傳感器是將外界信轉(zhuǎn)為電信的裝置。所以它由敏感元器件(感知元件)和轉(zhuǎn)器件兩部分組成,有的半導(dǎo)體敏感元器件可以輸出電信,本身就構(gòu)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講,可分為

①物理類,基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。

②化學(xué)類,基于化學(xué)反應(yīng)的原理。

③生物類,基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。通常據(jù)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類(還有人曾將傳感器分46類)。下面對(duì)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。

IFM易福門傳感器入門知識(shí)

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,場(chǎng)上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導(dǎo)體熱敏電阻等。以半導(dǎo)體熱敏電阻為探測(cè)元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛,這是因?yàn)樵谠试S工作條件范圍內(nèi),半導(dǎo)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(dǎo)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系數(shù)熱敏電阻,反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。

⑴ 正溫度系數(shù)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?zé)Y(jié)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(dǎo)體材料,被稱半導(dǎo)體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料,晶粒之間存在著晶粒界面,對(duì)于導(dǎo)電電子而言,晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)位壘。

當(dāng)溫度低時(shí),由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場(chǎng)的作用,導(dǎo)電電子可以很容易越過位壘,所以電阻值較??;當(dāng)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(nèi)電場(chǎng)受到破壞,不能幫助導(dǎo)電電子越過位壘,所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因?yàn)檫@種元件具有未達(dá)居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢,具有恒溫、調(diào)溫和自動(dòng)控溫的功能,只發(fā)熱,不發(fā)紅,無明火,不易燃燒,電壓交、直流3~440V均可,使用壽命長(zhǎng),非常適用于電動(dòng)機(jī)等電器裝置的過熱探測(cè)。

⑵ 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
負(fù)溫度系數(shù)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(dǎo)體性質(zhì),*類似于鍺、硅晶體材料,體內(nèi)的載流子(電子和空穴)數(shù)目少,電阻較高;溫度升高,體內(nèi)載流子數(shù)目增加,自然電阻值降低。

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多,使用區(qū)分低溫(-60~300℃)、中溫(300~600℃)、高溫(>600℃)三種,有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于需要定點(diǎn)測(cè)溫的溫度自動(dòng)控制電路,如冰箱、空調(diào)、溫等的溫控系統(tǒng)。
熱敏電阻與簡(jiǎn)單的放大電路結(jié)合,就可檢測(cè)千分之一度的溫度變化,所以和電子儀表組成測(cè)溫計(jì),能完成高精度的溫度測(cè)量。普通用途熱敏電阻工作溫度為-55℃~+315℃,特殊低溫?zé)崦綦娮璧墓ぷ鳒囟鹊陀?55℃,可達(dá)-273℃。

2 熱敏電阻的型
我國(guó)產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來制定型,由四部分組成。
*部分:主稱,用字母‘M’表示 敏感元件。
第二部分:類別,用字母‘Z’表示正溫度系數(shù)熱敏電阻器,或者用字母‘F’表示負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。
第三部分:用途或特征,用一位數(shù)字(0-9)表示。一般數(shù)字‘1’表示普通用途,‘2’表示穩(wěn)壓用途(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘3’表示微波測(cè)量用途(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘4’表示旁熱式(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘5’表示測(cè)溫用途,‘6’表示控溫用途,‘7’表示消磁用途(正溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘8’表示線性型(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘9’表示恒溫型(正溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘0’表示特殊型(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器)
第四部分:序,也由數(shù)字表示,規(guī)格、性能。
往往出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要,在序后加‘派生序’,由字母、數(shù)字和‘-’組合而成。
例: M Z 1 1

普通用途
正溫度系數(shù)熱敏電阻器
敏感元件

3 熱敏電阻器的主要參數(shù)
各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項(xiàng):標(biāo)稱電阻值、使用環(huán)境溫度(zui高工作溫度)、測(cè)量功率、額定功率、標(biāo)稱電壓(zui大工作電壓)、工作電流、溫度系數(shù)、材料常數(shù)、時(shí)間常數(shù)等。其中標(biāo)稱電阻值是在25℃零功率時(shí)的電阻值,實(shí)際上總有一定,應(yīng)在± 10%之內(nèi)。普通熱敏電阻的工作溫度范圍較大,可根據(jù)需要從-55℃到+315℃選擇,值得注意的是,不同型熱敏電阻的zui高工作溫度差異很大,如 MF11片狀負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器為+125℃,而MF53-1僅為+70℃,學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意(一般不要超過50℃)。

4 實(shí)驗(yàn)用熱敏電阻選擇
普通用途負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器,因它隨溫度變化一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻器易觀察,電阻值連續(xù)下降明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻器,實(shí)驗(yàn)溫度應(yīng)在該元件居里點(diǎn)溫度附近。
例MF11普通負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)名稱 參數(shù)值 MF11熱敏電阻符外形圖
標(biāo)稱阻值(kΩ) 10~15 片狀外形 符
額定功率 (W) 0.25
材料常數(shù)B范圍(k) 1980~3630
溫度系數(shù)(10-2/℃) -(2.23~4.09)
耗散系數(shù)(mW/℃) ≥5
時(shí)間常數(shù)(s) ≤30
zui高工作溫度(℃) 125

粗測(cè)熱敏電阻的值,宜選用量程適中且通過熱敏電阻測(cè)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(guān)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(huán)境溫度明顯低于體溫時(shí),讀數(shù)10.2k ,用手捏住熱敏電阻,可看到表針指示的阻值逐漸減?。凰砷_手后,阻值加大,逐漸復(fù)原。這樣的熱敏電阻可以選用(zui高工作溫度100℃左右)。
新教材熱敏特性實(shí)驗(yàn)如圖:

應(yīng)將熱敏電阻封裝后再放入水中。zui簡(jiǎn)單的封裝是用長(zhǎng)電工朔料套管,也可密封于類似的圓珠筆桿內(nèi)。
下面是實(shí)測(cè)的一組數(shù)據(jù)。
編 溫度(℃) 電阻值(k)
1 15 14 R=R0expB(T-1-T0-1)T0=25+273KB:材料及結(jié)構(gòu)常數(shù)(B是溫度的函數(shù))R0:標(biāo)準(zhǔn)溫度T0時(shí)阻值
2 20 11
3 25 9.9
4 30 9.2
5 35 8.5
6 40 7.8

幾種實(shí)用測(cè)溫傳感器
a空調(diào)內(nèi)溫控傳感器:熱敏元件封在銅金屬官中。
b 氣溫測(cè)量傳感器


IFM易福門傳感器入門知識(shí)

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(yīng)用廣泛。場(chǎng)出售的有光敏電阻器、光電二管、光電三管、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(dǎo)體光電晶體構(gòu)成 ,因半導(dǎo)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(砷化鎵晶體)、和紫外光光敏電阻(硫化鋅晶體)。當(dāng)敏感波長(zhǎng)的光照半導(dǎo)體光電晶體表面,晶體內(nèi)載流子增加,使其電導(dǎo)率增加(即電阻減?。?br>光敏電阻的主要參數(shù):
◆光電流 、亮阻:在一定外加電壓下,當(dāng)有光(100lx照度)照射時(shí),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(dāng)無光( 0 lx照度)照射時(shí),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。
◆zui大工作電壓:一般幾十伏至上百伏。
◆環(huán)境溫度:一般-25℃至 +55℃,有的型可以-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(guī)格選擇。
◆光敏電阻的主要參數(shù)還有響應(yīng)時(shí)間、靈敏度、光譜響應(yīng)、光照特性、溫度系數(shù)、伏安特性等。
值得注意的是,光照特性(隨光照強(qiáng)度變化的特性)、溫度系數(shù)(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(shí)隨溫度的增加而增大,有時(shí)隨溫度的增加又變小。
硫化鎘光敏電阻器的參數(shù):
型規(guī)格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
環(huán)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(yīng)時(shí)間 (ms) ≤20 ≤20 ≤20 ≤20
zui高工作電壓(v) 100 50 20 250

部分類型CdS光敏電阻符及外形圖

2 光電二管

和普通二管相比,除它的管芯也是一個(gè)PN結(jié)、具有單向?qū)щ娦阅芡猓渌町惡艽?。首先管芯?nèi)的PN結(jié)結(jié)深比較淺(小于1微米),以提高光電轉(zhuǎn)能力;第二PN結(jié)面積比較大,電面積則很小,以有利于光敏面多收集光線;第三光電二管在外觀上都有一個(gè)用有機(jī)玻璃透鏡密封、能匯聚光線于光敏面的“窗口";所以光電二管的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光敏電阻。

常見的幾種光電二管及符如下:
2DU有前、后、環(huán)三個(gè)。其中環(huán)是為了減小光電二管的暗電流和增加工作穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)增加的,應(yīng)用時(shí)需要接電源正。光電二管的主要參數(shù)有:zui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(yīng)時(shí)間(幾十ns~幾十μs)、結(jié)電容和正向壓降等。


光電二管的優(yōu)點(diǎn)是線性好,響應(yīng)速度快,對(duì)寬范圍波長(zhǎng)的光具有較高的靈敏度,噪聲低;缺點(diǎn)是單獨(dú)使用輸出電流(或電壓)很小,需要加放大電路。適用于通訊及光電控制等電路。
光電二管的檢測(cè)可用萬用表R×1K擋,避光測(cè)正向電阻應(yīng)10KΩ~200 KΩ,反向應(yīng)∞,去掉遮光物后向右偏轉(zhuǎn)角越大,靈敏度越高。
光電三管可以視為一個(gè)光電二管和一個(gè)三管的組合元件,由于具有放大功能,所以其暗電流、光電流和光電靈敏度比光電二管要高得多,但結(jié)構(gòu)原因使結(jié)電容加大,響應(yīng)特性變壞。廣泛應(yīng)用于低頻的光電控制電路。
常見的光電三管形狀及符如下:

半導(dǎo)體光電器件還有MOS結(jié)構(gòu),如掃描儀、攝象頭中常用的CCD(電荷耦合器件)就是集成的光電二管或MOS結(jié)構(gòu)的陣列。

三 氣敏傳感器及氣敏元件
教材僅要求簡(jiǎn)單的熱敏電阻和光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)。由于氣體與人類的日常生活密切相關(guān),對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境*手段,氣敏傳感器發(fā)揮著其重要的作用。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達(dá)0.8~1.15 ml/L時(shí),就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促,脈搏加快,甚至?xí)炟实葼顟B(tài),達(dá)1.84ml/L時(shí)則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險(xiǎn),因此對(duì)一氧化碳檢測(cè)必須快而準(zhǔn)。

利用SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料,通過顆粒超微細(xì)化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒,并以此為基體摻雜一定催化劑,經(jīng)適當(dāng)燒結(jié)工藝進(jìn)行表面修飾,制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件,能夠探測(cè)0.005%~0.5%范圍的CO氣體。

還有許多易爆可燃?xì)怏w、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進(jìn)行探測(cè)的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層),使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流,保持300℃~400℃的高溫,此時(shí)若與可燃性氣體接觸,可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒

因此鉑絲的溫度會(huì)上升,鉑絲的電阻值也上升;通過測(cè)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(xué)氣敏傳感器一般利用液體(或固體、有機(jī)凝膠等)電解質(zhì),其輸出形式可以是氣體氧化或還原產(chǎn)生的電流,也可以是離子作用于離子電產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn),應(yīng)用其廣泛;下面重點(diǎn)介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器及其氣敏元件。
半導(dǎo)體氣敏元件有N型和 P型之分。N型在檢測(cè)時(shí)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(dǎo)體氣敏材料,屬于N型半導(dǎo)體,在 200~300℃溫度它吸附空氣中的氧,形成氧的負(fù)離子吸附,使半導(dǎo)體中的電子密度減少,從而使其電阻值增加。

當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w(如CO等)時(shí),原來吸附的氧脫附,而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面;氧脫附放出電子,可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子,從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加,電阻值下降。

可燃性氣體不存在了,金屬氧化物半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附,使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。
目前國(guó)產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式,加熱絲和測(cè)量電一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi);旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底,管內(nèi)穿加熱絲,管外側(cè)有兩個(gè)測(cè)量,測(cè)量之間為金屬氧化物氣敏材料,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。

氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流,測(cè)量回路電壓,靈敏度,響應(yīng)時(shí)間,恢復(fù)時(shí)間,標(biāo)定氣體(0.1%丁烷氣體)中電壓,負(fù)載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、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(cè),屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高,穩(wěn)定性較好,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短,場(chǎng)上應(yīng)用廣泛。

QM-N5氣敏元件參數(shù)如下:標(biāo)定氣體(0.1%丁烷氣體,*工作條件)中電壓≥2V,響應(yīng)時(shí)間≤10S,恢復(fù)時(shí)間≤30S,*工作條件加熱電壓5V、測(cè)量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K,允許工作條件加熱電壓4.5~5.5V、測(cè)量回路電壓5~15V、負(fù)載電阻 0.5~2.2K。下圖為氣敏元件的簡(jiǎn)單測(cè)試電路(組成傳感器),電壓表指針變化越大,靈敏度越高;只要加一簡(jiǎn)單電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。常見的氣敏元件還有MQ -31(于檢測(cè)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(tǒng)的測(cè)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(shù)的發(fā)展,利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)(即對(duì)其某一方向施加壓力,其電阻率就發(fā)生變化)和良好的彈性,已經(jīng)研制出體積小、重量輕、靈敏度高的力敏傳感器,廣泛用于壓力、加速度等物理力學(xué)量的測(cè)量。


五 磁敏傳感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍爾器件(基于霍爾效應(yīng))、磁阻器件(基于磁阻效應(yīng):外加磁場(chǎng)使半導(dǎo)體的電阻隨磁場(chǎng)的增大而增加。)、磁敏二管和三管等。以磁敏元件為基礎(chǔ)的磁敏傳感器在一些電、磁學(xué)量和力學(xué)量的測(cè)量中廣泛應(yīng)用。

在一定意義上傳感器與人的感官有對(duì)應(yīng)的關(guān)系,其感知能力已遠(yuǎn)超過人的感官。例如利用目標(biāo)自身紅外輻射進(jìn)行觀察的紅外成像系統(tǒng)(夜像儀),黑夜中可1000 米發(fā)現(xiàn)人,2000米發(fā)現(xiàn)車輛;熱像儀的核心部件是紅外傳感器。

1991海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,伊拉克的坦克配置的夜視儀探測(cè)距離僅800米,還不及美英聯(lián)軍的一半,黑暗中被打得慘敗是必然的。目前世界各國(guó)都將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)的重點(diǎn)。為了大幅度傳感器的性能,將不斷采用新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝,向小型化、集成化和智能的方向發(fā)展。

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