檢測(cè)設(shè)備傳感器的原理(二)

◆*大工作電壓：一般幾十伏至上百伏。
◆環(huán)境溫度：一般 -25 ℃至 +55 ℃，有的型號(hào)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)：
型號(hào)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 （ k Ω） ≤ 2 ≤ 50 ≤ 2 ≤ 2
暗阻， 0lx （ M Ω） ≥ 1 ≥ 10 ≥ 0.2 ≥ 1
響應(yīng)時(shí)間 （ ms ） ≤ 20 ≤ 20 ≤ 20 ≤ 20
*高工作電壓（ v ） 100 50 20 250
2 光電二極管
和普通二極管相比，除它的管芯也是一個(gè) PN 結(jié)、具有單向?qū)щ娦阅芡?，其他均差異很大。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)換能力；** PN 結(jié)面積比較大，電極面積則很小，以有利于光敏面多收集光線；第三光電二極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”；所以光電二極管的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光敏電阻。
常見(jiàn)的幾種光電二極管及符號(hào)如下：
2DU 有前極、后極、環(huán)極三個(gè)極。其中環(huán)極是為了減小光電二極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)需要接電源正極。
光電二極管的主要參數(shù)有：*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μ s ）、結(jié)電容和正向壓降等。
光電二極管的優(yōu)點(diǎn) : 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) : 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。
光電二極管的檢測(cè)可用萬(wàn)用表 R × 1K 擋，避光測(cè)正向電阻應(yīng) 10K Ω～ 200 K Ω，反向應(yīng)，去掉遮光物后向右偏轉(zhuǎn)角越大，靈敏度越高。
光電三極管可以視為一個(gè)光電二極管和一個(gè)三極管的組合元件，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極管要高得多，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。
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）就是集成的光電二極管或 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)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。
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(guò)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(guò)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直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(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)用極其廣泛；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?。?P 型阻值隨氣體濃度的增大而增大。
像 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(lái)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**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)量電極一同燒結(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)量極，測(cè)量極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，市場(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，*佳工作條件）中電壓≥ 2V ，響應(yīng)時(shí)間≤ 10S ，恢復(fù)時(shí)間≤ 30S ，*佳工作條件加熱電壓 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 。常見(jiàn)的氣敏元件還有 MQ-31 （專用于檢測(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(lái)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。）、磁敏二極管和三極管等。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(guò)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 年海灣戰(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)。為了大幅度提供傳感器的性能，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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