传感器的物理基础

“教材”给传感器下的定义是：“能将能感受到的物理量（如力，热，光，声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。”这就是说，传感器是属于具有功能转换的元件。本文中我们先对教材中例举的热电传感器和光电传感器的物理基础作一介绍，然后再拓展到其他传感器元件。

一、热电传感器

热电传感器利用元件的电参量（电阻或电势）随温度变化的特性来测量温度。其中将温度转换成电势变化的称为热电偶传感器（热电偶在一般大学教材中均有译述，本文从略）。将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电阻传感器。热电阻传感器一般利用纯金属（如铂铜铁镍等）具有正电阻温度系数（PTC）的特性制成的。我们这里只重点介绍热敏电阻传感器。

热敏电阻利用半导体材料制成。半导体比金属具有更大的电阻温度系数。半导体热敏电阻又可分为正电阻温度系数（PTC），负电阻系数（NTC），临界电阻温度系数（CTR）等几种。

PTC热敏电阻一般用BaTiO3（钛酸钡）系列材料制成。当温度超过某一定值时，其电阻值快速增长。主要用于各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制（如电热蚊香的发热元件）和用作限流元件。还可用于彩电消磁。

CTR热敏电阻利用V03（氧化钒）系列材料制作。具有在某个温度值上电阻能急剧变化从而用作温度开关。

本文主要介绍NTC热敏电阻。

NTC热敏电阻应用广泛。它是一种氧化物的复合烧结体。其电阻率ρT，电阻温度系数αT与温度的关系分别由下式表示：可见NTC热敏电阻的αT小于0，随着T的减小，其温度系数增大，所以低温时其灵敏度很高。随着温度的升高，其电阻率反而减小。NTC热敏电阻主要用于低温范围（－100℃～300℃）的温度控制在稳定工作状态下，其伏－安特性如图1所示。由图可知，当电流很小时，居于线性电阻（遵从欧姆定律）、当电流增大到一定值，流过热敏电阻的电流对元件本身加热，温度升高。由于负电阻特性，使其电流I增大，但元件两端电压U反而下降。而其所能升高的温度与环境条件（周围介质温度及散热条件）有关。当电流与周围介质温度一定时，热敏电阻的阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。根据这一原理，热敏电阻除了可用来测量温度外，还可用来测量和控制流体的流速和介质密度等。

二、光电传感器

教材中说：“光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号”。光敏电阻也是一种半导体材料，常用的材料有硫化（CdS）。其物理特性使光的照射能使电阻明显减小（或者说其电阻明显增大）。有一种CdS光敏电阻照亮时电阻可小于2kΩ，无光照射时其电阻可大于4MΩ，而两者相差2000多倍。光敏电阻的一个重要特性是存在一定的光波波限λ0，超过λ0的光波即使光很强，其电阻值也并不明显下降。可见，只有能量大于hv0＝hc／λ0的光子才能在光敏电阻中产生电子──空穴对，这是光电效应基本原理的又一重要应用。这种光电阻光谱特性的测量和研究已成为确定半导体材料电学性能（禁带宽度）的有效方法。硫化铅（PbS）光敏电阻可以探测到3μm的红外光；锑化锢（InSb）可以探测到6～7μm的红外光。

除了半导体的光敏电阻效应以外，还有一种重要的光电传感器是利用半导体的PN结在短波光照射下诱导出电子──空穴对从而产生电势差的现象，通常称为光生伏特效应。硅光电池利用的正是这种效应。

硅光电池受光照面为正极，背光面为负极。其性能稳定。缺点是响应时间长（10-3～10-4s），灵敏度较低，一般输出电压为20～100mV。

利用光生伏特效应的还有光电二极管，它在电路中是反向工作的。其特点为响应时间短（10-7s），灵敏度较高，输出电压100～200mV，输入光的波长在0．86～0．9um范围内输出电流最大。其缺点是在弱光下灵敏度较低。

光电三极管响应时间10-4～10-5s，电流灵敏度高，输出电压达300～500mV，电流峰值波长也在0．86～0．9um，缺点是稳定度比光电二极管差。

光电传感器作为测量元件常用于数字式光学仪器（如比长仪），与精密加工机床的长度和角度的标准器具。数模转换器以及动态测量等。

三、其他种类传感器

除热电、光电传感器外，根据传感器的测量原理，还有电阻应变式传感器，电容式传感器，变磁阻式传感器，磁电式传感器，压电式压磁式传感器，霍尔传感器等，这些传感器都可以单独的传感器或几种传感器元件的组合，将许多非电学量（如压力，压强，位移，速度，加速度等力学量以及温度等）转换成电阻，电感，电容等电学量的变化，从而检测出电压，电流等易测信号加以处理和显示。还有一类传感器则可用来检测气体种类（气敏）和物质中的水分。

电阻式传感器的全名为电阻应变式传感器，它是由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外力，力矩，压力，位移，加速度等各种力学参数作用时，弹性敏感元件将产生位移，转角，应力和应变。电阻应变片则将这些力学参数转换成电阻的变化。

弹性敏感元件材料一般选用结构合金钢：如中碳福锰硅钢，中碳镉镍硅钢，镉钒弹簧钢等。我国也有选用铍青铜，铝合金材料的。一些常用的弹性敏感元件常做成空心或实心等截面轴，悬臂梁，扭转棒，薄壁圆筒，薄壁半球，等截面薄板等形状。在实际应用中，也可能有两种以上形式元件的组合使用。至于电阻应变体的结构，主要有丝式，箔式和半导体三种类型，其主要参数有应变片的电阻值（分60Ω，120Ω，350Ω，600Ω，1000Ω五种），绝缘电阻（一般大于1010Ω）和元件电流（75～100mA）三种。电阻应变片将非电量（如压力，压强，位移，速度等）转换为电阻的变化，为了便于显示和记录应变值的大小，还需要把电阻的变化转换成电压或电流的变化。完成这种转换功能的电路常采用直流或交流电桥。

气敏传感器用于检测各种气体的成份。早期对气体的检测主要采用化学和光学手段。虽然检测准确，但速度慢，设备复杂，成本高，使用不方便。随着煤气，液化石油气，天然气的开发利用以及人们对气体环境污染的重视，需要对各种易燃，易爆和有毒有害气进行及时检测。上世纪60年代，利用金属氧化物半导体研制出可燃气体传感器，以及发现在气敏元件中加人少量催化金属，可以大大改进气敏传感器元件性能。

我们列举以下两类半导体气敏传感器。

第一类称为电阻控制性气敏传感器。其原理为当Sn02，ZnO等金属氧化物半导体表面接触被测气体后，由于不同物质接受电子能级不同，引起气敏材料的电阻率变化，这类气敏元件主要监测含氢元素的气体分子。如氢气，氨气，硫化氢，酒精蒸汽，乙烯等。

第二类称为电压控制型气敏传感器，它的结构比较复杂，主要包括半导体单晶硅制成的。MOs场效应器件和利用隧道效应制成的金属／半导体气敏二极管，它可以用来监测像co等这一类不含氢元素的气体。

本文最后简要地介绍一种水分传感器。在工农业生产中需要测量水分的物质种类繁多。物质中的水分以两种形式存在：一种称为游离水或自由水，它分布于物质的表面与间隙中。如海绵吸附的水和木材间隙中的水分均属此类。另一种是结合水，指物质中靠物理和化学作用于水分子相结合的水分。如植物细胞壁中的水等。

水分的测量方法有直接法（如干燥法，蒸馏法等）和间接法（如电导法，电容法，微波法，中子法。核磁法，红外法，色谱法等）。本文介绍的水分传感器属于后者。

电导式（电阻式）水分传感器的基本工作原理是物质电导（或电阻）随其含水率的不同而变化。然而物质的实际电导（电阻）并不是含水率的单值函数关系。除水分外，它还与物质的性质，水质，品种，密度，粒度，杂质，空气温度与湿度有关。因此，用电导式水分计时除了在传感器设计上要设法消除诸如密度，粒度，品种，温度的影响，还应该在实现数据的基础上设置随机相关函数，用数理统计方法求出实用的数学模型。除了电导式水分传感器外，还可以利用吸湿物质的介电常数随含水量增加而变大的特性设计出电容式水分传感器；利用电磁波通过含水物质时电磁波部分被水吸收从而强度减弱而设计微波式水分传感器；利用中子源发射的快中子遇含有氢原子核的物质（即水），因互相发生碰撞而减速为慢中子，从测量慢中子的密度即可测出水分含量；红外式水分计是利用水分对1．94μm波长的红外辐射有强烈的吸收作用设计制造的。

最后，作为应用实例，介绍一种利用光敏电阻RG制作的无触点日光灯起辉器，电路可供各中学学生课外实验制作用。图2中，光敏电阻RG选用硫化锅电阻，其暗阻大于4MΩ，亮阻小于2kΩ，VD选用IN4007整流二极管；DW选用击穿电压为10V～15V稳压二极管，VS选用MCR100－6可控硅。

总之，各种传感器广泛应用了物理学中从力学到近代物理各部分基础知识，结合生产实际开发研制而成，其应用领域日益扩展。