檢測設備傳感器的原理(二)

◆*大工作電壓：一般幾十伏至上百伏。
◆環境溫度：一般 -25 ℃至 +55 ℃，有的型號可以 -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 多種規格選擇。
◆光敏電阻的主要參數還有響應時間、靈敏度、光譜響應、光照特性、溫度系數、伏安特性等。
值得注意的是，光照特性（隨光照強度變化的特性）、溫度系數（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隨溫度的增加而增大，有時隨溫度的增加又變小。
硫化鎘光敏電阻器的參數：
型號規格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
環境溫度（℃） -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
響應時間 （ 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 PN 結、具有單向導電性能外，其他均差異很大。首先管芯內的 PN 結結深比較淺（小于 1 微米），以提高光電轉換能力；** PN 結面積比較大，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用有機玻璃透鏡密封、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時間遠遠優于光敏電阻。
常見的幾種光電二極管及符號如下：
2DU 有前極、后極、環極三個極。其中環極是為了減小光電二極管的暗電流和增加工作穩定性而設計增加的，應用時需要接電源正極。
光電二極管的主要參數有：*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、響應時間（幾十 ns ～幾十μ s ）、結電容和正向壓降等。
光電二極管的優點 : 線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點 : 單獨使用輸出電流（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。
光電二極管的檢測可用萬用表 R × 1K 擋，避光測正向電阻應 10K Ω～ 200 K Ω，反向應，去掉遮光物后向右偏轉角越大，靈敏度越高。
光電三極管可以視為一個光電二極管和一個三極管的組合元件，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，但結構原因使結電容加大，響應特性變壞。廣泛應用于低頻的光電控制電路。
半導體光電器件還有 MOS 結構，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 結構的陣列。
三 氣敏傳感器及氣敏元件
教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實驗。由于氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少手段，氣敏傳感器發揮著極其重要的作用。
例如生活環境中的一氧化碳濃度達 0.8 ～ 1.15 ml/L 時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥等狀態，達 1.84ml/L 時則有在幾分鐘內死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。
利用 SnO2 金屬氧化物半導體氣敏材料，通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備 SnO2 納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經適當燒結工藝進行表面修飾，制成旁熱式燒結型 CO 敏感元件，能夠探測 0.005% ～ 0.5% 范圍的 CO 氣體。
還有許多易爆可燃氣體、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進行探測的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器等。
接觸燃燒式氣體傳感器 的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持 300 ℃～ 400 ℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。
電化學氣敏傳感器 一般利用液體（或固體、有機凝膠等）電解質，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產生的電流，也可以是離子作用于離子電極產生的電動勢。
半導體氣敏傳感器 具有靈敏度高、響應快、穩定性好、使用簡單的特點，應用極其廣泛；下面重點介紹半導體氣敏傳感器及其氣敏元件
半導體氣敏元件有 N 型和 P 型之分。 N 型在檢測時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。
像 SnO2 金屬氧化物半導體氣敏材料，屬于 N 型半導體，在 200 ～ 300 ℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到有能供給電子的可燃氣體（如 CO 等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表面；氧脫附放出電子，可燃**體以正離子狀態吸附也要放出電子，從而使氧化物半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態。這就是半導體氣敏元件檢測可燃氣體的基本原理。
目前國產的氣敏元件有 2 種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結在金屬氧化物半導體管芯內；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內穿加熱絲，管外側有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經高溫燒結而成。
氣敏元件的參數主要有加熱電壓、電流，測量回路電壓，靈敏度，響應時間，恢復時間，標定氣體（ 0.1% 丁烷氣體）中電壓，負載電阻值等。
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，屬于 N 型半導體元件。靈敏度較高，穩定性較好，響應和恢復時間短，市場上應用廣泛。
QM-N5 氣敏元件參數如下：標定氣體（ 0.1% 丁烷氣體，*佳工作條件）中電壓≥ 2V ，響應時間≤ 10S ，恢復時間≤ 30S ，*佳工作條件加熱電壓 5V 、測量回路電壓 10V 、負載電阻 RL 為 2K ，允許工作條件加熱電壓 4.5 ～ 5.5V 、測量回路電壓 5 ～ 15V 、負載電阻 0.5 ～ 2.2K 。常見的氣敏元件還有 MQ-31 （專用于檢測 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，傳統的測量方法是利用彈性材料的形變和位移來表示。隨著微電子技術的發展，利用半導體材料的壓阻效應（即對其某一方向施加壓力，其電阻率就發生變化）和良好的彈性，已經研制出體積小、重量輕、靈敏度高的力敏傳感器，廣泛用于壓力、加速度等物理力學量的測量。
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）、磁阻器件（基于磁阻效應：外加磁場使半導體的電阻隨磁場的增大而增加。）、磁敏二極管和三極管等。以磁敏元件為基礎的磁敏傳感器在一些電、磁學量和力學量的測量中廣泛應用。
在一定意義上傳感器與人的感官有對應的關系，其感知能力已遠超過人的感官。例如利用目標自身紅外輻射進行觀察的紅外成像系統（夜像儀），黑夜中可 1000 米發現人， 2000 米發現車輛；熱像儀的核心部件是紅外傳感器。
1991 年海灣戰爭中，伊拉克的坦克配置的夜視儀探測距離僅 800 米，還不及美英聯軍的一半，黑暗中被打得慘敗是必然的。目前世界各國都將傳感器技術列為優先發展的高新技術的重點。為了大幅度提供傳感器的性能，將不斷采用新結構、新材料和新工藝，向小型化、集成化和智能的方向發展。
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