求传感器原理与工程应用第三版答案
温度传感器和热敏元件。
温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件种类繁多，有双金属、铜热敏电阻、铂热敏电阻、热电偶、半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为检测元件的温度传感器应用广泛，因为在元件允许的工作条件下，半导体热敏电阻具有体积小、灵敏度高、精度高等特点，而且制造工艺简单，价格低廉。
半导体热敏电阻的工作原理
根据温度特性，热敏电阻可分为两类。随着温度的升高，正温度系数热敏电阻器的电阻增大，负温度系数热敏电阻器的电阻增大。
(1)正温度系数热敏电阻的工作原理
这种热敏电阻是以钛酸钡为基本材料，再掺入适量的稀土元素，采用陶瓷工艺高温烧结而成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的镧(La)、铌(Nb)等稀土元素后就变成了半导体材料，称为半导体钛酸钡。它是多晶材料，晶粒之间有晶粒界面，相当于导电电子的势垒。温度较低时，由于BaTiO _ 3半导体中的电场，导电电子很容易穿过势垒，所以电阻值较小。当温度上升到居里点温度(即临界温度，钛酸钡的居里点一般为120℃作为这种元素的‘控温点’)，内部电场被破坏，无法帮助导电电子越过势垒，所以表现为电阻急剧增大。由于这种元件在达到居里点之前，其电阻随温度的变化非常缓慢，因此具有恒温、调温和自动控温的功能。它只产生热量，不变红，没有明火，不易燃烧。电压可达3 ~ 440伏交流电和DC，使用寿命长。非常适合电机等电气设备的过热检测。
负温度系数的工作原理。
负温度系数由氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铝等金属氧化物通过陶瓷工艺制成。这些金属氧化物材料具有半导体特性，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。随着温度的升高，体内携带者增多，自然抵抗力下降。负温度系数有多种类型，用于区分低温(-60 ~ 300℃)、中温(300 ~ 600℃)和高温(>:600℃)，具有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的自动温控电路中，如冰箱、空调、温室等温控系统。
当热敏电阻与简单的放大电路结合时，可以检测到千分之一度的温度变化，因此可以用电子仪器完成高精度的温度测量。通用热敏电阻的工作温度为-55℃ ~+315℃，专用低温热敏电阻的工作温度低于-55℃，可达-273℃。
2.热敏电阻的类型
我们国产的热敏电阻是按照部颁标准SJ1155-82设计的，由四部分组成。
第一部分:主要名称，用字母“m”表示敏感元素。
第二部分:类别，其中字母“Z”用于表示正温度系数热敏电阻，或字母“F”用于表示负温度系数。
第三部分:用途或特性，用一位数字(0-9)表示。一般数字' 1 '代表一般用途，' 2 '代表稳压(负温度系数)，' 3 '代表微波测量(负温度系数)，' 4 '代表间接加热(负温度系数)，' 5 '代表温度测量，' 6 '代表温度控制，' 7 '代表消磁(正温度系数热敏电阻
第四部分:序列号，也用数字表示，代表规格和性能。
出于区分该系列产品的特殊需要，厂商往往在序列号后加上‘衍生序列号’，衍生序列号是字母、数字和'-'的组合。
例如:M Z 1 1
3.热敏电阻的主要参数
各种热敏电阻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、使用环境温度(最高工作温度)、实测功率、额定功率、标称电压(最高工作电压)、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。其中标称电阻值为25℃和零功率时的电阻值，总有一定的误差，应该在10%以内。普通热敏电阻的工作温度范围较宽，可根据需要在-55℃至+315℃之间选择。值得注意的是，不同型号的热敏电阻最高工作温度差别很大，如芯片负温度系数为+11，MF53-65438为+1。
4实验用热敏电阻的选择
首选通用负温度系数热敏电阻，因为它随温度变化时比正温度系数热敏电阻更容易观察到，电阻值连续下降明显。如果选用正温度系数的热敏电阻，实验温度应该在元件的居里点温度附近。
示例MF11常见负温度系数参数。
主要技术参数名称参数值MF11热敏电阻符号外形图
标称电阻(kω) 10 ~ 15片形符号
额定功率(W) 0.25
材料常数b的取值范围为(k) 1980 ~ 3630。
温度系数(10-2/℃)-(2.23 ~ 4.09)
耗散系数(mW/℃) ≥5
时间常数≤30
最高工作温度(℃) 125
粗略测量热敏电阻值，应选择量程适中，热敏电阻测量电流小的万用表。如果热敏电阻约为10kω，可以选择MF10万用表，将其档位开关转到欧姆档R×100，用鳄鱼夹而不是钢笔夹住热敏电阻的两个管脚。当环境温度明显低于体温时，读数为10.2k，用手握住热敏电阻时，可以看到表针指示的电阻逐渐减小。松开手后，阻力增大，逐渐恢复。可以选用这样的热敏电阻(最高工作温度约为100℃)。
几种实用的温度传感器
空调中一种特殊的温控传感器:热敏元件封装在铜金属中。
b温度测量传感器
双光学传感器和光敏元件
光学传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速，种类繁多，应用广泛。市场上出售光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电耦合器和光电池。
1.光敏电阻器
光敏电阻由透光的半导体光电晶体组成，因成分不同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)。当敏感波长照射半导体光电晶体表面时，晶体中载流子增加，使其电导率增大(即电阻减小)。
光敏电阻的主要参数:
◆光电流和亮阻:在一定的外加电压下，有光时(100lx照度)，流过光敏电阻的电流称为光电流；施加的电压与电流的比值为亮阻，一般为几kω到几十kω。
◆暗电流和暗电阻:在一定的外加电压下，没有光照(0 lx光照)时，流过光敏电阻的电流称为暗电流；施加的电压与电流之比就是暗电阻，一般在几百kω到几千kω以上。
◆最大工作电压:一般几十伏到几百伏。
◆环境温度:一般为-25℃至+55℃，部分型号可为-40℃至+70℃。
◆额定功率(功耗):光敏电阻的亮电流与外接电压的乘积；5mW到300mW多种规格可选。
◆光敏电阻的主要参数包括响应时间、灵敏度、光谱响应、照度特性、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)、伏安特性并不是线性的。比如含CdS(硫化镉)的光敏电阻，有时随温度升高而增大，有时随温度升高而减小。
硫化镉光敏电阻的参数:
型号规格mg 41-22mg 42-16mg 44-02mg 45-52
环境温度(℃)-40～+60-25～+55-40～+70-40～+70
额定功率(mW) 20 10 5 200
亮阻，100 LX(kω)≤2≤50≤2≤2≤50≤2≤2。
暗电阻，0lx(mω)≥1≥10≥0.2≥1。
响应时间(毫秒)≤20 ≤20 ≤20 ≤20
最大工作电压(v) 100 50 20 250
2个光电二极管
与普通二极管相比，除了管芯也是PN结，具有单向导电性之外，其他都有很大的不同。首先，管芯中的PN结深度相对较浅(小于1微米)以提高光电转换能力；第二PN结面积比较大，但电极面积很小，有利于光敏面收集更多的光；第三个光电二极管在外观上有一个用有机玻璃透镜密封的“窗口”，可以将光线汇聚到光敏面上；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其符号如下:
2DU有三极:前极、后极、环极。其中，环形电极是为了降低光电二极管的暗电流，增加工作稳定性而设计的，应用时需要连接到电源正极。光电二极管的主要参数有:最大工作电压(10~50V ~ 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。
光电二极管的优点是良好的线性、快速响应、对宽波长范围的光的高灵敏度和低噪声。缺点是单独使用输出电流(或电压)很小，需要一个放大电路。适用于通讯和光电控制电路。
光电二极管的检测可以用万用表R×1K来做，正向电阻应为10Kω~ 200kω，反向电阻应为∞。移除遮光板后向右偏转的角度越大，灵敏度越高。
光电晶体管可以看作是光电二极管和三极管的组合。由于具有放大功能，其暗电流、光电流和光电灵敏度远高于光电二极管，但由于结构原因，结电容增大，响应特性变差。广泛应用于低频光电控制电路中。
半导体光电器件也有MOS结构，如扫描仪和摄像头中常用的CCD(电荷耦合器件)，它是集成光电二极管阵列或MOS结构。
三个气体传感器和气体传感器
教材只要求对热敏电阻和光敏电阻的特性做简单的实验。由于气体与人类日常生活密切相关，气体检测是保护和改善生态生活环境不可或缺的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。例如，当生活环境中的一氧化碳浓度达到0.8 ~ 1.15 ml/L时，会出现气短、脉搏加快甚至晕厥，而当达到1.84ml/L时，几分钟内就有死亡的危险，所以一氧化碳的检测必须快速、准确。采用二氧化锡金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超细和掺杂工艺制备二氧化锡纳米颗粒，然后掺杂一定的催化剂作为基体，通过适当的烧结工艺对表面进行改性，制成间接加热烧结型CO气敏元件，可检测0.005% ~ 0.5%范围内的CO气体。还有很多检测爆炸性可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的传感器。常用的有接触式燃烧气体传感器、电化学气体传感器和半导体气体传感器。接触式燃烧气体传感器的检测元件一般为铂丝(也可涂有铂、钯等稀有金属催化层)。使用时，向铂丝施加电流，维持300℃ ~ 400℃的高温。此时如果接触到可燃气体，可燃气体会在稀有金属催化层上燃烧，所以铂丝的温度会升高，铂丝的电阻值也会升高。通过测量铂丝电阻值的变化，可以知道可燃气体的浓度。电化学气体传感器一般采用液体(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。半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单等特点，应用广泛。下面重点介绍半导体气体传感器及其气体传感器。
半导体气体传感器可分为N型和P型。检测时n型电阻随着气体浓度的增加而减小；p型电阻随着气体浓度的增加而增加。像SnO2这样的金属氧化物半导体气敏材料属于N型半导体。在200 ~ 300℃的温度下，它吸收空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度降低，电阻增大。当有可燃气体(如CO等)时。)可以供给电子，原来吸附的氧气被解吸，可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧气脱附释放电子，可燃气体以正离子态吸附时也会释放电子，从而增加氧化物半导体导带的电子密度，降低电阻值。可燃气体没了，金属氧化物半导体会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值上升到初始状态。这就是半导体气体传感器检测可燃气体的基本原理。
目前，国内的气体传感器有两种。一种是直接加热型，其中加热丝和测量电极一起烧结在金属氧化物半导体管芯中；间接加热式气体传感器基于陶瓷管，加热丝穿过管内，管外有两个测量电极，测量电极之间是金属氧化物气体传感器材料，高温烧结。
气体传感器的参数主要包括加热电压和电流、测量回路电压、灵敏度、响应时间、恢复时间、校准气体(0.1%丁烷气体)中的电压、负载电阻值等。QM-N5气体传感器适用于检测天然气、煤气、氢气、烷烃气、烯烃气、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等。属于N型半导体元素。它灵敏度高，稳定性好，响应和恢复时间短，在市场上应用广泛。QM-N5气体传感器参数如下:校准气体(0.1%丁烷气体，最佳工作条件下)中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复时间≤30S，最佳工作条件下加热电压为5V，测量回路电压为10V，负载电阻RL为2K，允许工作条件下加热电压为4.5 ~。下图是气体传感器(传感器)的简单测试电路。电压表指针变化越大，灵敏度越高。只要加一个简单的电路，就可以实现报警。常见的气体传感器有MQ-31(专门用于检测CO)、QM-J1酒传感器等。
四个力传感器和力传感器
力传感器有很多种，传统的测量方法是用弹性材料的变形和位移来表示。随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应(即在某一方向施加压力时其电阻率发生变化)和良好的弹性，研制出体积小、重量轻、灵敏度高的力传感器，广泛用于测量压力、加速度等物理力学量。
五磁传感器和磁传感器
目前有霍尔元件(基于霍尔效应)和磁阻器件(基于磁阻效应:外磁场使半导体的电阻随着磁场的增大而增大。)、磁敏二极管和三极管等。基于磁传感器的磁传感器广泛应用于一些电、磁、机械量的测量。
从某种意义上说，传感器与人的感官有着对应关系，其感知能力已经远远超过了人的感官。比如利用目标本身的红外辐射进行观测的红外成像系统(夜视相机)，可以在黑暗中发现1000米处的人和2000米处的车辆；热像仪的核心部件是红外传感器。在1991的海湾战争中，伊拉克坦克装备的夜视仪的探测距离只有800米，还不到美英的一半，所以在黑暗中败北是必然的。目前，世界各国都把传感器技术作为高技术发展的重点。为了大幅度提高传感器的性能，我们将继续采用新结构、新材料和新技术，向小型化、集成化和智能化发展。