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检测设备传感器的原理(二)

日期:2021-09-23 17:38
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摘要: 检测设备传感器的原理(二) ◆*大工作电压:一般几十伏至上百伏。 ◆环境温度:一般 -25 ℃至 +55 ℃,有的型号可以 -40 ℃至 +70 ℃。 ◆额定功率(功耗):光敏电阻的亮电流与外电压乘积;可有 5mW 至 300mW 多种规格选择。 ◆光敏电阻的主要参数还有响应时间、灵敏度、光谱响应、光照特性、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)、伏安特性不是线性的,如以 CdS (硫化镉)光敏电阻的光阻有时随温度的增加而增大,有时随温度的增加又变小...


检测设备传感器的原理(二)

◆*大工作电压:一般几十伏至上百伏。
◆环境温度:一般 -25 ℃至 +55 ℃,有的型号可以 -40 ℃至 +70 ℃。
◆额定功率(功耗):光敏电阻的亮电流与外电压乘积;可有 5mW 至 300mW 多种规格选择。
◆光敏电阻的主要参数还有响应时间、灵敏度、光谱响应、光照特性、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)、伏安特性不是线性的,如以 CdS (硫化镉)光敏电阻的光阻有时随温度的增加而增大,有时随温度的增加又变小。
硫化镉光敏电阻器的参数:
型号规格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
环境温度(℃) -40 ~ +60 -25 ~ +55 -40 ~ +70 -40 ~ +70
额定功率( mW ) 20 10 5 200
亮阻, 100lx ( k Ω) ≤ 2 ≤ 50 ≤ 2 ≤ 2
暗阻, 0lx ( M Ω) ≥ 1 ≥ 10 ≥ 0.2 ≥ 1
响应时间 ( ms ) ≤ 20 ≤ 20 ≤ 20 ≤ 20
*高工作电压( v ) 100 50 20 250
2 光电二极管
和普通二极管相比,除它的管芯也是一个 PN 结、具有单向导电性能外,其他均差异很大。首先管芯内的 PN 结结深比较浅(小于 1 微米),以提高光电转换能力;** PN 结面积比较大,电极面积则很小,以有利于光敏面多收集光线;第三光电二极管在外观上都有一个用有机玻璃透镜密封、能汇聚光线于光敏面的“窗口”;所以光电二极管的灵敏度和响应时间远远优于光敏电阻。
常见的几种光电二极管及符号如下:
2DU 有前极、后极、环极三个极。其中环极是为了减小光电二极管的暗电流和增加工作稳定性而设计增加的,应用时需要接电源正极。
光电二极管的主要参数有:*高工作电压( 10 ~ 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μ s )、结电容和正向压降等。
光电二极管的优点 : 线性好,响应速度快,对宽范围波长的光具有较高的灵敏度,噪声低;缺点 : 单独使用输出电流(或电压)很小,需要加放大电路。适用于通讯及光电控制等电路。
光电二极管的检测可用万用表 R × 1K 挡,避光测正向电阻应 10K Ω~ 200 K Ω,反向应,去掉遮光物后向右偏转角越大,灵敏度越高。
光电三极管可以视为一个光电二极管和一个三极管的组合元件,由于具有放大功能,所以其暗电流、光电流和光电灵敏度比光电二极管要高得多,但结构原因使结电容加大,响应特性变坏。广泛应用于低频的光电控制电路。
半导体光电器件还有 MOS 结构,如扫描仪、摄象头中常用的 CCD (电荷耦合器件)就是集成的光电二极管或 MOS 结构的阵列。
三 气敏传感器及气敏元件
教材仅要求简单的热敏电阻和光敏电阻特性实验。由于气体与人类的日常生活密切相关,对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段,气敏传感器发挥着极其重要的作用。
例如生活环境中的一氧化碳浓度达 0.8 ~ 1.15 ml/L 时,就会出现呼吸急促,脉搏加快,甚至晕厥等状态,达 1.84ml/L 时则有在几分钟内死亡的危险,因此对一氧化碳检测必须快而准。
利用 SnO2 金属氧化物半导体气敏材料,通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备 SnO2 纳米颗粒,并以此为基体掺杂一定催化剂,经适当烧结工艺进行表面修饰,制成旁热式烧结型 CO 敏感元件,能够探测 0.005% ~ 0.5% 范围的 CO 气体。
还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。
接触燃烧式气体传感器 的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层),使用时对铂丝通以电流,保持 300 ℃~ 400 ℃的高温,此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝的温度会上升,铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小,就知道可燃性气体的浓度。
电化学气敏传感器 一般利用液体(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。
半导体气敏传感器 具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点,应用极其广泛;下面重点先容半导体气敏传感器及其气敏元件
半导体气敏元件有 N 型和 P 型之分。 N 型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小; P 型阻值随气体浓度的增大而增大。
像 SnO2 金属氧化物半导体气敏材料,属于 N 型半导体,在 200 ~ 300 ℃温度它吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体(如 CO 等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面;氧脱附放出电子,可燃**体以正离子状态吸附也要放出电子,从而使氧化物半导体导带电子密度增加,电阻值下降。可燃性气体不存在了,金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。
目前国产的气敏元件有 2 种。一种是直热式,加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内;旁热式气敏元件以陶瓷管为基底,管内穿加热丝,管外侧有两个测量极,测量极之间为金属氧化物气敏材料,经高温烧结而成。
气敏元件的参数主要有加热电压、电流,测量回路电压,灵敏度,响应时间,恢复时间,标定气体( 0.1% 丁烷气体)中电压,负载电阻值等。
QM-N5 型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测,属于 N 型半导体元件。灵敏度较高,稳定性较好,响应和恢复时间短,市场上应用广泛。
QM-N5 气敏元件参数如下:标定气体( 0.1% 丁烷气体,*佳工作条件)中电压≥ 2V ,响应时间≤ 10S ,恢复时间≤ 30S ,*佳工作条件加热电压 5V 、测量回路电压 10V 、负载电阻 RL 为 2K ,允许工作条件加热电压 4.5 ~ 5.5V 、测量回路电压 5 ~ 15V 、负载电阻 0.5 ~ 2.2K 。常见的气敏元件还有 MQ-31 (专用于检测 CO ), QM-J1 酒敏元件等。
四 力敏传感器和力敏元件
力敏传感器的种类甚多,传统的测量方法是利用弹性材料的形变和位移来表示。随着微电子技术的发展,利用半导体材料的压阻效应(即对其某一方向施加压力,其电阻率就发生变化)和良好的弹性,已经研制出体积小、重量轻、灵敏度高的力敏传感器,广泛用于压力、加速度等物理力学量的测量。
五 磁敏传感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍尔器件(基于霍尔效应)、磁阻器件(基于磁阻效应:外加磁场使半导体的电阻随磁场的增大而增加。)、磁敏二极管和三极管等。以磁敏元件为基础的磁敏传感器在一些电、磁学量和力学量的测量中广泛应用。
在一定意义上传感器与人的感官有对应的关系,其感知能力已远超过人的感官。例如利用目标自身红外辐射进行观察的红外成像系统(夜像仪),黑夜中可 1000 米发现人, 2000 米发现车辆;热像仪的核心部件是红外传感器。
1991 年海湾战争中,伊拉克的坦克配置的夜视仪探测距离仅 800 米,还不及美英联军的一半,黑暗中被打得惨败是必然的。目前世界各国都将传感器技术列为优先发展的高新技术的重点。为了大幅度提供传感器的性能,将不断采用新结构、新材料和新工艺,向小型化、集成化和智能的方向发展。
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