Algunas preguntas sobre sensores
1. Sensor de temperatura y elemento térmico
El sensor de temperatura está compuesto principalmente por elementos térmicos. Hay muchos tipos de componentes térmicos, incluidas láminas bimetálicas, resistencias térmicas de cobre, resistencias térmicas de platino, termopares y termistores semiconductores, etc., que se venden en el mercado. Los termistores semiconductores se utilizan ampliamente como componentes de detección de sensores de temperatura. Esto se debe a que, dentro de las condiciones de trabajo permitidas de los componentes, los termistores semiconductores tienen las características de tamaño pequeño, alta sensibilidad, alta precisión, proceso de fabricación simple y bajo precio.
1 Principio de funcionamiento del termistor semiconductor
Las características de temperatura del termistor se pueden dividir en dos categorías A medida que aumenta la temperatura, aumenta el valor de resistencia, que es un termistor con coeficiente de temperatura positivo. resistencia y, a la inversa, un termistor de coeficiente de temperatura negativo.
1) Principio de funcionamiento del termistor de coeficiente de temperatura positivo
Este tipo de termistor utiliza titanato de bario (BaTio3) como material básico y luego mezcla una cantidad adecuada de elementos de tierras raras. de cerámica sinterizada a alta temperatura. El titanato de bario puro es un material aislante, pero cuando se mezcla con una cantidad adecuada de elementos de tierras raras como lantano (La) y niobio (Nb), se convierte en un material semiconductor, llamado titanato de bario semiconductor. Es un material policristalino con interfaces granulares entre granos, lo que equivale al impedimento estérico para la conducción de electrones. Cuando la temperatura es baja, debido al campo eléctrico del semiconductor de titanato de bario, los electrones conductores pueden cruzar fácilmente la barrera del campo, por lo que el valor de resistencia es muy pequeño cuando la temperatura aumenta hasta el punto de Curie (es decir, el punto crítico; temperatura, el punto de control de temperatura de este elemento 'Generalmente a 120°C (el punto de Curie del titanato de bario), el campo eléctrico interno se destruye y no puede ayudar a los electrones conductores a cruzar la barrera del campo, por lo que el valor de la resistencia aumenta bruscamente. Dado que la resistencia de este elemento cambia muy lentamente con la temperatura antes de alcanzar el punto Curie, tiene funciones de temperatura constante, control de temperatura y control automático de temperatura. Solo genera calor, no brilla en rojo, no tiene llama abierta y no es fácil de encender. quemar El voltaje es de CA y CC de 3 a 440 V. Se puede utilizar con cualquier tipo de dispositivo y tiene una larga vida útil. Es muy adecuado para la detección de sobrecalentamiento de equipos eléctricos como motores.
(2) Principio de funcionamiento del termistor de coeficiente de temperatura negativo
El termistor de coeficiente de temperatura negativo está hecho de metales como óxido de manganeso, óxido de cobalto, óxido de níquel, óxido de cobre y óxido de aluminio. es la principal materia prima y se fabrica mediante tecnología cerámica. Estos materiales de óxido metálico tienen propiedades semiconductoras, completamente similares a los materiales de cristal de germanio y silicio. La cantidad de portadores (electrones y huecos) en el cuerpo es pequeña y el valor de resistencia es alto. A medida que aumenta la temperatura, la cantidad de portadores en el cuerpo. aumenta y el valor de resistencia naturalmente disminuye. Hay muchos tipos de termistores de coeficiente de temperatura negativo. Cuando se usan, se dividen en temperatura baja (-60 ~ 300 ℃), temperatura media (300 ~ 600 ℃) y alta temperatura (gt; 600 ℃). Estabilidad y capacidad de respuesta Con las ventajas de velocidad rápida, larga vida útil y bajo precio, se usa ampliamente en circuitos de control automático de temperatura que requieren medición de temperatura de punto fijo, como sistemas de control de temperatura en refrigeradores, aires acondicionados, invernaderos, etc.
El termistor, combinado con un circuito amplificador simple, puede detectar cambios de temperatura de una milésima de grado. Por lo tanto, se puede combinar con instrumentos electrónicos para formar un termómetro para completar una medición de temperatura de alta precisión. La temperatura de funcionamiento de los termistores de uso general es de -55 ℃ ~ 315 ℃, y la temperatura de funcionamiento de los termistores especiales de baja temperatura es inferior a -55 ℃ y hasta -273 ℃.
Modelo de 2 termistores
El modelo de termistor de China está formulado de acuerdo con la norma ministerial SJ1155-82 y consta de cuatro partes.
La primera parte: el nombre principal, el componente sensible está representado por la letra 'M'.
Parte 2: Categoría, use la letra 'Z' para indicar un termistor con coeficiente de temperatura positivo, o use la letra 'F' para indicar un termistor con coeficiente de temperatura negativo.
Parte 3: Finalidad o características, representada por un número (0-9). Por lo general, el número '1' significa uso general, '2' significa uso de estabilización de voltaje (termistor de coeficiente de temperatura negativo), '3' significa uso de medición de microondas (termistor de coeficiente de temperatura negativo), '4' significa tipo de calentamiento de derivación (termistor de coeficiente de temperatura negativo ), '5' indica uso de medición de temperatura, 6" indica uso de control de temperatura, "7" indica uso de desmagnetización (termistor de coeficiente de temperatura positivo), "8" indica resistencia de tipo lineal (termistor de coeficiente de temperatura negativo), "9" representa el tipo de temperatura constante (termistor de coeficiente de temperatura positivo), "0" representa el tipo especial (termistor de coeficiente de temperatura negativo)
Parte 4: Número de serie, también expresado en números, representa especificaciones y rendimiento.
Por lo general, con el propósito especial de distinguir esta serie de productos, los fabricantes agregarán un "número de serie derivado" después del número de serie, que es una combinación de letras, números y signos "-".
Número de serie
Tipo universal
Termistor de coeficiente de temperatura positivo
Componentes sensibles
3 Los parámetros principales del termistor
Las condiciones de trabajo de varios termistores deben estar dentro del rango permitido por sus parámetros de fábrica. Hay más de diez parámetros principales de los termistores cada uno: valor de resistencia nominal. , temperatura ambiente (temperatura máxima de funcionamiento), potencia medida, potencia nominal, voltaje nominal (voltaje máximo de funcionamiento), corriente de funcionamiento, coeficiente de temperatura, constante del material, constante de tiempo, etc. donde el valor de resistencia nominal es el valor de resistencia a potencia cero. a 25°C en realidad siempre tiene un cierto error, que debe estar dentro de ±10. El rango de temperatura de funcionamiento de los termistores ordinarios es mayor y se puede seleccionar de -55°C a 315°C según sea necesario. La temperatura máxima de funcionamiento de los diferentes tipos de termistores varía mucho. Por ejemplo, el termistor de coeficiente de temperatura negativo del chip MF11 es de 125 °C, mientras que el MF53-1 es de solo 70 °C. Los estudiantes deben prestar atención al experimentar (generalmente no excede los 50). °C).
4. Selección del termistor en el experimento
Se prefiere el termistor de coeficiente de temperatura negativo de uso general porque generalmente es más fácil observar cambios con la temperatura que la temperatura positiva. El termistor de coeficiente cambia, la resistencia continúa disminuyendo significativamente. Si se selecciona un termistor de coeficiente de temperatura positivo, la temperatura experimental debe estar cerca de la temperatura del punto Curie del componente.
Ejemplo MF11 Coeficiente de temperatura negativo de uso común. Parámetros del termistor
Principales parámetros técnicos nombre valor del parámetro Forma del símbolo del termistor MF11
Resistencia nominal (kΩ) 10 ~ 15 Símbolo de la forma del chip
Potencia nominal (W) 0,25
p>Rango B constante del material (k) 1980 ~ 3630
Coeficiente de temperatura (10-2/℃) - (2,23 ~ 4,09)
Factor de disipación (mW/ ℃) ≥ 5
Constante de tiempo (s) ≤ 30
Temperatura máxima de funcionamiento (℃) 125
Para medir aproximadamente el valor del termistor , se debe utilizar un multímetro de corriente moderada y pequeña que mida el termistor. Si el termistor tiene aproximadamente 10kΩ, puede usar un multímetro MF10, cambiar su engranaje al engranaje óhmico R×100 y usar pinzas de cocodrilo en lugar de cables de prueba para sujetar las dos clavijas del termistor. Cuando la temperatura ambiente es significativamente más baja que la temperatura del cuerpo humano, la lectura es 10,2 k. Sostenga el termistor con la mano y podrá ver que la resistencia indicada por el puntero disminuye gradualmente. Suelte la mano y la resistencia aumenta y se recupera gradualmente; Se puede utilizar un termistor de este tipo (la temperatura máxima de funcionamiento es de aproximadamente 100 °C).
El experimento de características térmicas del nuevo estándar curricular se muestra en la figura:
El termistor debe empaquetarse antes de colocarse en agua. El paquete más sencillo es utilizar un enchufe de electricista largo, o se puede sellar dentro de un portalápices similar a un bolígrafo.
El siguiente es un conjunto de datos de medición.
Número de serie Temperatura (℃) Resistencia (k)
1 15 14 R=R0expB (T-1-T0-1) T0=25 273KB: Constantes materiales y estructurales (B es función de la temperatura) R0: valor de resistencia cuando la temperatura estándar es T0
2 20 11
3 25 9,9
4 30 9,2
5 35 8,5
6 40 7,8
Varios sensores de temperatura prácticos
a Sensor de control de temperatura especial en aires acondicionados: el elemento termosensible está sellado en cobre Metal centro oficial.
b Sensor de medición de temperatura del aire
2. Sensor de luz y elemento fotosensible
El sensor de luz está compuesto principalmente por elementos fotosensibles. En la actualidad, los elementos fotosensibles se están desarrollando rápidamente, con diversas variedades y amplias aplicaciones. En el mercado se venden fotorresistores, fotodiodos, fototransistores, fotoacopladores y energía fotovoltaica.
1. Fotorresistor
El fotorresistor está compuesto de cristal ligero semiconductor que transmite luz. Debido a la diferente composición del cristal ligero semiconductor, se divide en fotorresistor de luz visible (cristal de sulfuro de cadmio). , Fotorresistor de luz infrarroja (cristal de arseniuro de galio) y fotorresistor UV (cristal de sulfuro de zinc). Cuando la luz de una longitud de onda sensible irradia la superficie de un cristal fotoeléctrico semiconductor, los portadores en el cristal aumentan, lo que hace que aumente su conductividad (es decir, que disminuya su resistencia).
Los principales parámetros del fotorresistor:
◆Fotocorriente, resistencia a la luz: bajo un cierto voltaje externo, cuando hay luz (iluminación de 100 lx), la corriente que fluye a través del fotorresistor. la corriente se llama fotocorriente; la relación entre el voltaje aplicado y la corriente es la resistencia de la luz, que generalmente es de varios kΩ a decenas de kΩ.
◆Corriente oscura y resistencia oscura: bajo un cierto voltaje externo y sin luz (0 lx de iluminación), la corriente que fluye a través del fotorresistor se llama fotocorriente. Corriente oscura: bajo un cierto voltaje aplicado, cuando no hay luz (iluminación de 0 lx), la corriente que fluye a través del fotorresistor se llama corriente oscura. La relación entre el voltaje aplicado y la corriente es la resistencia oscura, que generalmente es de varios cientos; kΩ a varios miles de kΩ o más.
◆ Tensión máxima de trabajo: generalmente de decenas a cientos de voltios.
◆Temperatura ambiente: generalmente de -25 ℃ a 55 ℃, algunos modelos pueden ser de -40 ℃ a 70 ℃.
◆Potencia nominal (consumo de energía): el producto de la corriente luminosa del fotorresistor y el voltaje externo disponible en varias especificaciones desde 5mW hasta 300mW.
◆Los principales parámetros del fotorresistor incluyen tiempo de respuesta, sensibilidad, respuesta espectral, características ópticas, coeficiente de temperatura, características de voltios-amperios, etc.
Vale la pena señalar que las características ópticas (características que cambian con la intensidad de la luz), el coeficiente de temperatura (características que cambian con la temperatura) y las características de voltios-amperios no son lineales, como las del CdS (cadmio). sulfuro) fotorresistor El fotorresistor a veces aumenta a medida que aumenta la temperatura y a veces disminuye a medida que aumenta la temperatura.
Parámetros del fotorresistor de sulfuro de cadmio:
Especificaciones del modelo MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
Temperatura ambiente (℃) -40 ~ 60 - 25 ~ 55 -40 ~ 70 -40 ~ 70
Potencia nominal (mW) 20 10 5 200
Resistencia brillante, 100 lx (kΩ) ≤2 ≤50 ≤2 ≤ 2
Resistencia a la oscuridad, 0lx (MΩ) ≥1 ≥10 ≥0,2 ≥1
Tiempo de respuesta (ms) ≤20 ≤20 ≤20 ≤20
Máximo funcionamiento voltaje (v) 100 50 20 250
Algunos símbolos tipográficos y esquemas de fotodiodos CdS
2 fotodiodos
En comparación con diodos ordinarios, excepto que su núcleo es también una unión PN con conductividad unidireccional, todo lo demás es muy diferente. En primer lugar, la profundidad de la unión PN en su núcleo es relativamente poco profunda (menos de 1 micrón) para mejorar la capacidad de conversión fotoeléctrica. En segundo lugar, el área de la unión PN es relativamente grande y el área del electrodo es pequeña, lo que facilita la separación; superficie fotosensible para recoger más luz; en tercer lugar, el diodo fotosensible tiene un sello de lente de plexiglás en la apariencia, que recoge la luz en la "ventana" de la superficie fotosensible, por lo tanto, la sensibilidad del diodo fotosensible y la capacidad de detectar y; La luz detectada es fuerte. La sensibilidad y el tiempo de respuesta de los fotodiodos son muy superiores a los de los fotorresistores.
Varios fotodiodos comunes y sus símbolos son los siguientes:
2DU tiene tres polos: polo frontal, polo trasero y polo anular. El electrodo de anillo se agrega para reducir la corriente oscura del fotodiodo y aumentar la estabilidad del trabajo. Debe conectarse al electrodo positivo de la fuente de alimentación durante la aplicación. Los principales parámetros del fotodiodo son: voltaje máximo de funcionamiento (10 ~ 50 V), corriente oscura (≤ 0,05 ~ 1 μA), fotocorriente (> 6 ~ 80 μA), sensibilidad fotoeléctrica, tiempo de respuesta (decenas de ns ~ decenas de μs) , capacitancia de unión y caída de tensión directa.
Las ventajas de los fotodiodos son buena linealidad, tiempo de respuesta rápido, amplio rango de longitud de onda óptica, alta sensibilidad y bajo ruido, la desventaja es que la corriente (o voltaje) de salida es muy pequeña cuando se usa solo y necesita; para ser agregado a un circuito amplificador medio. Adecuado para circuitos de comunicación y control fotoeléctrico.
Para la detección de fotodiodos, se puede utilizar un multímetro con bloque R×1K. La resistencia directa cuando se mide en la oscuridad debe ser de 10 KΩ~200 KΩ, y la dirección inversa debe ser ∞. cuanto mayor sea el ángulo de desviación hacia la derecha, mayor será la sensibilidad.
El fototransistor puede considerarse como un componente combinado de un fotodiodo y un triodo. Sin embargo, debido a su función de amplificación, su sensibilidad a la corriente oscura, fotocorriente y fotoeléctrica es mucho mayor que la del fotodiodo. Por razones estructurales, la capacitancia de la unión aumenta y las características de respuesta empeoran. Es ampliamente utilizado en circuitos de control fotoeléctrico de baja frecuencia.
Las formas y símbolos comunes de los fototransistores son los siguientes:
Los dispositivos optoelectrónicos semiconductores también tienen estructuras MOS, como los CCD (dispositivos acoplados de carga) comúnmente utilizados en escáneres y cámaras que integran fotodiodos. O una serie de estructuras MOS.
Tres tipos de sensores de gas y sensores de gas
El libro de texto solo requiere un experimento simple sobre las características del termistor y el fotorresistor. Dado que los gases están estrechamente relacionados con la vida diaria humana, la detección de gases siempre ha sido un medio indispensable para proteger y mejorar el entorno de vida ecológico, en el que los sensores de gas desempeñan un papel extremadamente importante. Por ejemplo, cuando la concentración de monóxido de carbono en el entorno de vida alcanza 0,8 ~ 1,15 ml/L, se producirá dificultad para respirar, pulso acelerado e incluso desmayos. Cuando alcanza 1,84 ml/L, existe un riesgo de muerte en unos pocos. minutos Por lo tanto, la detección de monóxido de carbono debe ser rápida y precisa. Los materiales semiconductores sensibles al gas de óxido metálico de SnO2 se utilizan para preparar nanopartículas de SnO2 mediante partículas ultrafinas y procesos de dopaje, y se utilizan como sustratos para incorporar ciertos catalizadores, y se modifican la superficie mediante procesos de sinterización apropiados para producir nanopartículas parabólicas sinterizadas sensibles al CO. Puede detectar gas CO en el rango de 0,005 ~ 0,5.
Hay muchos gases inflamables explosivos, gases alcohólicos, gases de escape de automóviles y otros gases tóxicos que pueden detectarse mediante sensores. Los más utilizados incluyen sensores de gas de combustión por contacto, sensores de gas electroquímicos y sensores de gas semiconductores. El elemento de detección del sensor de gas de combustión de contacto es generalmente un alambre de platino (también puede recubrirse con una capa catalítica de metales raros como platino y paladio). Cuando se usa, la corriente del alambre de platino es muy grande y se mantiene a una velocidad alta. alta temperatura de 300 ℃ ~ 400 ℃ En este momento, si se expone al gas combustible, el gas combustible quemará la capa catalítica de metal raro, la temperatura del alambre de platino aumentará y la resistencia del alambre de platino también aumentará. ; midiendo el valor de resistencia del alambre de platino, se medirá el cambio en el valor de resistencia del alambre de platino, se puede conocer la concentración de gas combustible. Los sensores de gas electroquímicos generalmente utilizan electrolitos líquidos (o sólidos, gel orgánico, etc.), y su salida puede ser en forma de corriente generada por oxidación o reducción directa del gas, o en forma de fuerza electromotriz generada por iones bajo la acción. de electrodos de iones. Los sensores de gas semiconductores tienen las características de alta sensibilidad, respuesta rápida, buena estabilidad y facilidad de uso, y se utilizan ampliamente. Lo siguiente se centra en los sensores de gas semiconductores y sus sensores de gas.
Los sensores de gas semiconductores se dividen en tipo N y tipo P. La resistencia del tipo N disminuye con el aumento de la concentración de gas durante la detección; la resistencia del tipo P aumenta con el aumento de la concentración de gas. Los materiales semiconductores de óxido metálico sensibles a los gases, como el SnO2, son semiconductores de tipo N. Cuando la temperatura es de 200 a 300 °C, adsorben oxígeno en el aire y forman adsorción de aniones de oxígeno, lo que reduce la densidad de electrones en el semiconductor y, por lo tanto, aumenta su densidad. aumento del valor de resistencia. Cuando se encuentra un gas combustible (como CO, etc.) que puede proporcionar electrones, el oxígeno originalmente adsorbido se desorbe y el gas combustible se adsorbe en la superficie del semiconductor de óxido metálico con un estado de ión positivo después de que el oxígeno desorbe los electrones; , el oxígeno adsorbido tiene iones positivos. El gas inflamable en el estado también libera electrones, aumentando así la densidad de electrones en la banda de conducción del semiconductor de óxido y reduciendo el valor de resistencia. Cuando no existe gas combustible, el semiconductor de óxido metálico restaurará automáticamente el estado de iones negativos que absorben oxígeno, lo que hará que el valor de resistencia aumente al estado inicial. Este es el principio básico de los sensores de gas semiconductores para detectar gases combustibles.
Actualmente existen dos tipos de sensores de gas en China. Uno es el tipo de calentamiento directo, en el que el cable calefactor y el electrodo de medición se sinterizan juntos en el núcleo del tubo semiconductor de óxido metálico; el sensor de gas del tipo calentamiento lateral utiliza un tubo cerámico como base, el cable calefactor pasa a través del tubo y Hay dos electrodos de medición fuera del tubo. Entre los electrodos de medición hay un material sensible al gas de óxido metálico, que se sinteriza a alta temperatura.
Los parámetros del sensor de gas incluyen voltaje de calentamiento, corriente, voltaje del circuito de medición, sensibilidad, tiempo de respuesta, tiempo de recuperación, voltaje en el gas de calibración (0,1 gas butano), valor de resistencia de carga, etc. El sensor de gas QM-N5 es adecuado para detectar gas natural, gas de carbón, hidrógeno, gas alcano, gas olefina, gasolina, queroseno, acetileno, amoníaco, humo, etc. Es un componente semiconductor tipo N. Los parámetros del sensor de gas QM-N5 son los siguientes: voltaje ≥2V en gas de calibración (0,1 gas butano, condiciones óptimas de trabajo), tiempo de respuesta ≤10S, tiempo de recuperación ≤30S, las condiciones óptimas de trabajo son voltaje de calefacción 5V, voltaje del circuito de medición 10 V, resistencia de carga RL 2 K, las condiciones de trabajo permitidas son voltaje de calefacción de 4,5 ~ 5,5 V, resistencia de carga RL 2 K, las condiciones de trabajo permitidas son voltaje de calefacción de 4,5 ~ 5,5 V. Voltaje 4,5 ~ 5,5 V, voltaje del circuito de medición 5 ~ 15 V, resistencia de carga 0,5 ~ 2,2 K. La siguiente figura muestra un circuito de prueba simple para un sensor de gas (compuesto por un sensor). Cuanto mayor sea el cambio en el puntero del voltímetro, mayor será la sensibilidad, siempre que se agregue un circuito simple, se puede lograr una alarma. Los sensores de gas comunes incluyen el MQ-31 (dedicado a detectar CO) y el sensor de alcohol QM-J1.
4. Sensores sensibles a la fuerza y componentes sensibles a la fuerza
Existen muchos tipos de sensores sensibles a la fuerza. El método de medición tradicional utiliza la deformación elástica y el desplazamiento del material para indicar. . Con el desarrollo de la tecnología microelectrónica, se han desarrollado sensores sensibles a la fuerza con tamaño pequeño, peso ligero y alta sensibilidad utilizando el efecto piezoresistivo de los materiales semiconductores (es decir, la resistividad cambia cuando se aplica presión en una determinada dirección) y buena elasticidad. Es ampliamente utilizado en la medición de cantidades físicas y mecánicas como la presión y la aceleración.
Cinco tipos de sensores magnéticos y elementos sensibles magnéticos
Los elementos sensibles magnéticos actuales incluyen dispositivos Hall (basados en el efecto Hall) y dispositivos magnetorresistivos (basados en el efecto magnetorresistivo: un Causas del campo magnético La resistencia de los semiconductores aumenta con el aumento del campo magnético), como los diodos magnéticos y los transistores. Los sensores magnéticos basados en elementos magnéticos se utilizan ampliamente en la medición de muchas cantidades eléctricas, magnéticas y mecánicas.
En cierto sentido, el sensor tiene una relación correspondiente con los sentidos humanos, y su capacidad de percepción supera con creces los sentidos humanos. Por ejemplo, un sistema de imágenes infrarrojas (cámara nocturna) que utiliza la propia radiación infrarroja del objetivo para observar puede encontrar personas en un radio de 1.000 metros y vehículos en un radio de 2.000 metros por la noche; la cámara termográfica es el componente central del sensor de infrarrojos; En la Guerra del Golfo de 1991, los dispositivos de visión nocturna equipados en los tanques iraquíes tenían un alcance de detección de sólo 800 metros, menos de la mitad que el de las fuerzas de la coalición estadounidense y británica. Fueron destrozados en la oscuridad, y una derrota desastrosa era inevitable. . En la actualidad, países de todo el mundo han priorizado el desarrollo de la tecnología de sensores como un enfoque de alta tecnología. Para mejorar en gran medida el rendimiento de los sensores, se seguirán utilizando nuevas estructuras, nuevos materiales y nuevos procesos para avanzar hacia la miniaturización, la integración y la inteligencia.