常用传感器

4.1.5　常用传感器

1）温度传感器

（1）接点式温度开关

①双金属片式温度开关

将热膨胀系数不同的两种金属片并接在一起，制成双金属片。由于两种金属在温度变化时胀缩的程度不同，因此双金属片在不同温度下，将呈现不同程度的弯曲。利用这种特性，可制成双金属片温度开关，通过调整触点位置，使其在预定温度接通或断开电路。

②水银温度继电器

利用水银热胀冷缩的特性，调整导体触点位置，使其在预定温度与水银液面相接或断开，来控制电路的通断。

③感温铁氧体磁力开关

利用感温铁氧体Mn、Zn、Fe等的磁导率在居里点温度附近突然变化的特性，即由磁力很强突然变为磁力近于零，制成接点式温度开关。

以上温度开关传感器使用方便、价格便宜，但控制精度不高、速度较低，仅适用于电压不高、电流和功率不大的场合。

（2）热电偶

热电偶是常用的测温元件，其测温原理是：根据塞贝克效应，在两种金属导线构成的回路中，若其接点保持不同的温度，则在回路中产生与此温差相对应的电动势。

热电偶结构简单、温度范围广、响应快、测量准确、复现性好。

（3）测温电阻

金属铂、铜、镍等的电阻率随温度的不同而变化，利用这种特性可以制成测温电阻。铂的性能最好，采用特殊的结构可以制成标准温度计，适用温度范围为-259.3～630.7℃；镍比铂价廉，其电阻温度系数大，适用温度范围在-50～＋300℃。

（4）热敏电阻

使用对温度敏感的半导体材料制成的热敏电阻，具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点，应用非常广泛。按温度系数分，有负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（NTR）三种类型，其中NTC产生最早、技术最成熟、使用范围最广，通常由金属氧化物构成；按结构形式分，有体型、薄膜型和厚膜型三种；按工作方式分，有直热式、旁热式和延迟电路三种；按工作温度区域分，有常温区（＋60～＋300℃）、高温区（＞300℃）和低温区（＜-193℃）三种。

（5）PN结温度传感器

PN结的正向结压降随温度而变化，当用恒流源供电时，在一定温度范围内，正向结压降随温度增加近似呈线性递减，温度每升高1℃，结压降大约减小2mV。利用这种特性制成的硅PN结温度传感器已获得广泛应用，其灵敏度高、体积小、重量轻、响应快、造价低。

2）磁敏传感器

利用霍尔效应制成的霍尔集成电路是最常用的磁敏器件，它能感知与磁有关的物理量，输出相应的电信号。

霍尔集成电路按输出端功能可分为开关型和线性型两种，按有源元件类型可分为双极型和MOS型两种，按封装材料可分为塑料封装和陶瓷封装两种。

利用霍尔集成电路，可进行磁场测量、大直流电流测量，可制成无触点开关，也可进行位移、速度、转速、位置等物理量的检测。

使用磁敏开关的最简单方式是用磁棒或磁条。如图4.17所示，磁棒轴心方向垂直于磁敏单元的中心线，磁铁移近磁敏开关则导通，移离则断路。这种运用方式称为碰头式工作。

图4.17　碰头式工作

图4.18　滑近式工作

磁敏开关的另一种常用方式，是将磁铁从侧面滑行接近开关，保持磁铁的轴线垂直于开关表面，空隙保持固定，最大磁通密度值是当磁铁轴线刚好在开关的中心线上时。这一种运用方式称为滑近式工作，如图4.18所示。

3）红外传感器

常见的有超小型热释电集成红外传感器，由于它主要用于检测运动的人体，所以也称为运动传感器。与同类传感器相比，它具有独特的优势，其体积仅为前者的1/10、透镜面积仅为1/5，可安装于极小的空间。内部除有高灵敏度的热释红外敏感元件外，另有集成在一个芯片上的稳压电源、信号放大器、比较器及输出电路，如图4.19所示，从而使外电路简化，使用十分方便。输出的开关信号可直接与单片机接口。整个集成传感器由金属外壳封装，具有抵抗强干扰的能力。静态工作电流小，典型值为170pA。该传感器可安装在自动化装置上，达到有人时开机、无人时关机的效果。利用该传感器制造的防盗报警装置，尺寸小、易于秘藏。

图4.19　红外传感器

4）力学量传感器

力学量传感器可将被检测力学量，例如荷重、压力、加速度、扭矩和振动等转换为电量。

（1）半导体应变片

当对半导体材料施加一定力时，材料的电阻率会发生改变，这称为半导体材料的压阻效应。利用这种效应可制造半导体应变片。

它由硅条、内引线、胶底、电极、外引线等五部分组成。硅条为压敏部分，是半导体应变片的核心。

（2）压力传感器

若要对压力参数进行遥测、记录、集中监控、自动控制，需用到压力传感器。它将压力参数变换成电信号输出。

使用较多的压力传感器是硅压阻式压力传感器。生产时先利用腐蚀工艺在单晶硅片上制作硅杯，其中间部分形成硅膜片（弹性元件）；然后在硅膜片上用扩散工艺或离子注入工艺制成一定形状的应变元件（如电桥）。当硅膜片受到压力作用时，应变元件的阻值发生变化，输出相应的电信号，如图4.20所示。

图4.20　压力传感器

图4.21　电化学气体传感器

5）电化学气体传感器

图4.21所示为电化学气体传感器。这是一种利用电解池原理来测量某些特定气体浓度的传感器。当气体靠近电极附近时会发生电化学反应，随之产生电子的得失，在电解池回路中形成电流。通过测量电流就可以知道气体浓度的变化。

目前，电化学气体传感器可用来测量氧气、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等气体的浓度。它的响应时间一般在十几秒之内，快的只需要零点几秒，在环境保护、劳动保护方面有着广泛的应用前景。

6）湿敏传感器

湿敏传感器能将湿度信息转换为电信号。

常用的湿敏传感器有半导体陶瓷湿敏电阻、高分子薄膜式湿敏电容和聚合物磺酸锂离子交换型湿敏元件等几种。它们的主要特点是响应速度快，相对湿度10%RH的变化，在数秒钟内就可以反映出来。

湿敏传感器主要应用于气象预报和工农业生产自动控制系统中。在干燥设备、电磁灶、录像机、空调机等家用电器的自动保护和控制系统中，也有着广泛的应用。

7）光电传感器

在光的作用下，半导体的电性能会发生变化。利用半导体的这种光电特性，可将光信号变换成电信号，实现信息的检测和变换。

（1）光电传感器

光电传感器有光电二极管和光电三极管两大类，它们都是利用PN结的光致电效应制成的。常见的光电二极管有2CU型、2DU型、PIN型；常见的光电三极管有3DU型。如图4.22所示为光电传感器结构符号及外形图。

（2）光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的器件。通常把发光器与受光器（光电半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时，发光器发出光线；受光器接受光照之后产生光电流，由输出端引出，实现“电—光—电”的转换。

光电耦合器抗干扰能力强、寿命长、传输效率高，可广泛用于电气隔离、电平转换、级间耦合、开关电路、脉冲放大、固态继电器、仪器仪表和微型计算机接口电路中。

光电耦合器按其输出形式分有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、集成电路型以及线性输出型、高速输出型和高传输比输出型等。

图4.22　光电传感器结构符号及外形图

如图4.23所示为光电耦合器开关结构示意图。

图4.23　光电耦合器开关

（3）光电池

光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓等，其中应用较广的是硅光电池，因为它性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜。

硅光敏电池主要用于可见光、近红外光的接收，作为光学测量、光电转换等光探测器件，也可作为触发电路或开关电路的控制信号。常见的硅光敏电池有TCC系列、BY系列、SL系列和BU82系列。