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电子工程师必备知识大全:传感器入门必读

导读: 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。

  传感器及敏感元件

 

  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。

 

  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

  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)

  11514R=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

  22011

  3259.9

  4309.2

  5358.5

  6407.8

  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

 

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