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傳感器相關(guān)知識:
傳感器由敏感元器件(感知元件)和轉(zhuǎn)換器件兩部分組成,有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號,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。
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,市場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)體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛,這是因為在元件允許工作條件范圍內(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,而且制造工藝簡單、價格低廉。
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,對于導(dǎo)電電子而言,晶粒間界面相當(dāng)于一個位壘。當(dāng)溫度低時,由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場的作用,導(dǎo)電電子可以很容易越過位壘,所以電阻值較小;當(dāng)溫度升高到居里點溫度(即臨界溫度,此元件的‘溫度控制點' 一般鈦酸鋇的居里點為120℃)時,內(nèi)電場受到破壞,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。因為這種元件具有未達居里點前電阻隨溫度變化非常緩慢,具有恒溫、調(diào)溫和自動控溫的功能,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,非常適用于電動機等電器裝置的過熱探測。
⑵ 負溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
負溫度系數(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、價格低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于需要定點測溫的溫度自動控制電路,如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。
熱敏電阻與簡單的放大電路結(jié)合,就可檢測千分之一度的溫度變化,所以和電子儀表組成測溫計,能完成高精度的溫度測量。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-273℃。
2、熱敏電阻的型號
我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來制定型號,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(負溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘3’表示微波測量用途(負溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘4’表示旁熱式(負溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘5’表示測溫用途,‘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(負溫度系數(shù)熱敏電阻器)
第四部分:序號,也由數(shù)字表示,代表規(guī)格、性能。
往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要,在序號后加‘派生序號',由字母、數(shù)字和'-’號組合而成。
例: M Z 1 1
序號
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出廠參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項:標(biāo)稱電阻值、使用環(huán)境溫度(zui高工作溫度)、測量功率、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)、時間常數(shù)等。其中標(biāo)稱電阻值是在25℃零功率時的電阻值,實際上總有一定誤差,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,不同型號熱敏電阻的zui高工作溫度差異很大,如MF11片狀負溫度系數(shù)熱敏電阻器為+125℃,而MF53-1僅為+70℃,學(xué)生實驗時應(yīng)注意(一般不要超過50℃)。
4、實驗用熱敏電阻選擇
*普通用途負溫度系數(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,實驗溫度應(yīng)在該元件居里點溫度附近。
例MF11普通負溫度系數(shù)熱敏電阻器參數(shù)
主要技術(shù)參數(shù)名稱 參數(shù)值 MF11熱敏電阻符號外形圖
標(biāo)稱阻值(kΩ) 10~15 片狀外形 符號
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
時間常數(shù)(s) ≤30
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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,市場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)體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛,這是因為在元件允許工作條件范圍內(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,而且制造工藝簡單、價格低廉。
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,對于導(dǎo)電電子而言,晶粒間界面相當(dāng)于一個位壘。當(dāng)溫度低時,由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場的作用,導(dǎo)電電子可以很容易越過位壘,所以電阻值較小;當(dāng)溫度升高到居里點溫度(即臨界溫度,此元件的‘溫度控制點' 一般鈦酸鋇的居里點為120℃)時,內(nèi)電場受到破壞,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。因為這種元件具有未達居里點前電阻隨溫度變化非常緩慢,具有恒溫、調(diào)溫和自動控溫的功能,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,非常適用于電動機等電器裝置的過熱探測。
⑵ 負溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
負溫度系數(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、價格低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于需要定點測溫的溫度自動控制電路,如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。
熱敏電阻與簡單的放大電路結(jié)合,就可檢測千分之一度的溫度變化,所以和電子儀表組成測溫計,能完成高精度的溫度測量。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-273℃。
2、熱敏電阻的型號
我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來制定型號,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(負溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘3’表示微波測量用途(負溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘4’表示旁熱式(負溫度系數(shù)熱敏電阻器),‘5’表示測溫用途,‘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(負溫度系數(shù)熱敏電阻器)
第四部分:序號,也由數(shù)字表示,代表規(guī)格、性能。
往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要,在序號后加‘派生序號',由字母、數(shù)字和'-’號組合而成。
例: M Z 1 1
序號
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出廠參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項:標(biāo)稱電阻值、使用環(huán)境溫度(zui高工作溫度)、測量功率、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)、時間常數(shù)等。其中標(biāo)稱電阻值是在25℃零功率時的電阻值,實際上總有一定誤差,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,不同型號熱敏電阻的zui高工作溫度差異很大,如MF11片狀負溫度系數(shù)熱敏電阻器為+125℃,而MF53-1僅為+70℃,學(xué)生實驗時應(yīng)注意(一般不要超過50℃)。
4、實驗用熱敏電阻選擇
*普通用途負溫度系數(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,實驗溫度應(yīng)在該元件居里點溫度附近。
例MF11普通負溫度系數(shù)熱敏電阻器參數(shù)
主要技術(shù)參數(shù)名稱 參數(shù)值 MF11熱敏電阻符號外形圖
標(biāo)稱阻值(kΩ) 10~15 片狀外形 符號
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
時間常數(shù)(s) ≤30
zui高工作溫度(℃) 125
粗測熱敏電阻的值,宜選用量程適中且通過熱敏電阻測量電流較小萬用表。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,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小;松開手后,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)。
zui高工作溫度(℃) 125
粗測熱敏電阻的值,宜選用量程適中且通過熱敏電阻測量電流較小萬用表。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,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小;松開手后,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)。