传感器及检测技术（第四版）（中篇共上中下3篇）

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熊晓倩课程内容CONTENTS热敏电阻的材料和种类02热敏电阻的使用03概述01一、概述热敏电阻

是一种传感器电阻,其电阻值随着温度的变化而改变。优点

具有电阻温度系数大、灵敏度高、体积小、响应快、阻值在1～10MΩ之间可供自由选择、测量电路简单、成本低等优点。缺点

互换性差、热电特性为非线性，一般需要经过线性化处理，使输出电压与温度基本上成线性关系，主要用于要求不太高的温控系统中。日常应用

适用于家用电器、空调器、复印机、电子体温计、表面温度计和汽车等产品中。二、热敏电阻的材料和种类

热敏电阻由金属氧化物半导体材料或碳化硅材料，经成型、烧结等工艺制成。热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化，其结构形式及符号如图所示二、热敏电阻的材料和种类

按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为PTC、NTC和CTR三类，其温度特性如图所示：PTC温度特性图NTC温度特性图CTR温度特性图二、热敏电阻的材料和种类PTC热敏电阻

正温度系数热敏电阻的电阻值随温度升高而增大，简称为PTC热敏电阻。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。PTC的原理电流通过元件后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻值增大，从而电流减小，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用。二、热敏电阻的材料和种类PTC的作用日常生活中的作用：1.能起到开关的作用，兼有敏感元件、加热器和开关种功能，称之为“热敏开关”。2.可做成加热源，作为加热元件应用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用。二、热敏电阻的材料和种类NTC热敏电阻

负温度系数(NTC)热敏电阻的电阻值随温度升高而减小，简称为NTC热敏电阻，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC的制作材料

大多数热敏电阻均为负温度系数，NTC热敏电阻以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。二、热敏电阻的材料和种类NTC的制作材料

温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和空穴)数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于-100～+300℃之间测温。二、热敏电阻的材料和种类CTR热敏电阻

临界温度系数热敏电阻(CTR)具有负电阻突变特性，在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级，即具有很大的负温度系数，灵敏度极高。CTR的制作材料和主要用途

其构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CTR，为玻璃态热敏电阻，骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变。

CTR能够应用于控温报警等场合，主要用作温度开关。三、热敏电阻的使用

各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。

热敏电阻不仅体积小，而且灵敏度比铂热电阻元件高10倍左右，所以除用于家电产品外，还有各种用途，一般可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。三、热敏电阻的使用

PTC、CTR虽不能作为较大温度范围的温度传感器使用，但可用于检测是否超过特定温度(电阻急变的温度)。

例如，PTC上流过电流就发热，若超过急变温度，电阻就变大，电流变小而不发热，所以装在恒温器上能保持一定的内部温度；装在干燥器上能使其起到温度开关的作用。三、热敏电阻的使用

热敏电阻除用于温度传感器外，还可用于因放热状态的变化而引起电阻变化的风速传感品、微流速传感器、真空传感器、气体传感器、湿度传感器等。由于热敏电阻的灵敏度高，阻值变化大，可直接用图所示电路进行控制显示。三、热敏电阻的使用

该电路中Rt为PTC型热敏电阻，VT1基极连接在R和Rt的分压点处，当温度升高时，Rt阻值变大，VT1基极电位升高，VT1导通，这时VT1集电极电位降低，连接在此处的VT2基极电位降低，VT2也随之导通，LED点亮指示温度发生变化（升高），继电器J工作，驱动风扇转动降温。Yourcontenttoplayhere,orthroughyourcopy,pasteinthisbox,andselectonlythetext.Yourcontenttoplayhere,orthroughyourcopy,pasteinthisbox,……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS热电偶的实际应用02概述01一、概述热电偶

是温度测量仪表中常用的测温元件，可直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。结构

通常由热电极、保护管、绝缘套管和接线盒等主要部分组成，常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。1.热电极；2.绝缘管；3.保护管；4.接线盒二、热电偶的实际应用1.热电偶的冷端处理

热电偶测温时将温度的变化转换为热电动势的变化，热电动势的大小是热端温度和冷端温度的代数差，为了保证输出热电动势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；二、热电偶的实际应用2.热电偶的冷端补偿

有以下四种方法(1)冰浴法

把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路,必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使之相互绝缘，如图所示。自找二、热电偶的实际应用(2)补偿导线法

补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内(0-100℃)，与所配接的热电偶具有相同的热电特性,起到延长冷端的作用，如图所示。二、热电偶的实际应用(3)计算修正法

热电偶分度表给出的热电动势值的条件是参考端温度为0℃。

如果用热电偶测温时自由端温度不为0℃，必然产生测量误差。

可采用计算修正法对热电偶自由端(参考端)温度进行补偿，对热电偶回路的测量电动势值EAB(T,T0)加以修正。二、热电偶的实际应用(3)计算修正法

例如用K型(镍铬-镍硅)热电偶测炉温时，已知冷端温度T=30℃，测得EAB(T,T0)为28.344mV，求盐浴炉的温度。解:由分度表可查得EAB(30℃,0)=1.203mV；又已知测炉温时测得EAB(T,30℃)=28.344mV；则可计算得EAB(T,0℃)=EAB(T,30℃)↑EA(30℃,0℃)=29.547mV；由29.547mV再查分度表得T=710℃，即炉温。二、热电偶的实际应用(4)补偿电桥法

利用不平衡电桥产生热电动势,可以补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电动势的变化值。

不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成，如图所示。二、热电偶的实际应用(4)补偿电桥法

设计时，在0°C下使电桥平衡(R1=R2=R3=Rcu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。不同材质的热电偶所配的冷端补偿器,其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整;桥臂Rcu必须和热电偶的冷端靠近，使之处于同一温度之下。二、热电偶的实际应用(5)软件处理法

对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。

例如：冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS集成温度传感器的常见种类02概述01一、概述集成温度传感器是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。类型和其优点目前大量生产的集成温度传感器有电流输出型、电压输出型和数字输出型。其工作温度范围约在-50～+150℃。具有使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠等特点，但测温范围小，使用环境有一定局限性。二、集成温度传感器的常见种类电流输出型集成温度传感器AD590

具有输出阻抗高的优点，因此可以配合使用双绞线进行数百米远的精密温度遥测与遥感,而不必考虑长金属线上引起的信号损失和噪声问题，也可以用于多点温度测量系统中，而不必考虑选择开关或多路转换器引入的接触电阻造成的误差。二、集成温度传感器的常见种类电压输出型集成温度传感器AN6701S

AN6701S是电压输出型集成温度传感器，其输出电压与环境绝对温度成正比，其外形封装如图所示，工作温度范围为-10～+80℃；灵敏度为105～114Mv/℃；额定输出电流±100μA；工作电压范围是5～15V。二、集成温度传感器的常见种类数字输出型集成温度传感器

美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，可把温度信号直接转换成串行数字信号供计算机处理，其外形封装如图所示，I/O为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。二、集成温度传感器的常见种类数字输出型集成温度传感器

低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。DS18B20测温原理电路二、集成温度传感器的常见种类数字输出型集成温度传感器DS18B20测温原理电路

计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。二、集成温度传感器的常见种类数字输出型集成温度传感器DS18B20测温原理电路

如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。……………谢

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熊晓倩课程内容CONTENTS反射板型光电传感器07光电效应02漫反射板型光电传感器06光电传感器特点08外光电效应03内光电效应04对射型光电传感器05光电式传感器的结构01一、光电式传感器的结构光电传感器=电源+光学元件+光电器件构造光路光电转换发射光线二、光电效应光电效应的定义：

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应(Photoelectriceffect)。光电效应三、外光电效应

在光线作用下使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。

基于外光电效应的光电元件有光电管，光电倍增管等。四、内光电效应内光电效应

半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。四、内光电效应1.光电导效应

在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。

光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。四、内光电效应2.光生伏特效应

在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池和光敏二极管、三极管等。五、对射型光电传感器

对射型光电传感器是由独立发射器和接收器组成的光电传感器，使用时发射器和接收器需要对准以建立光路。当检测物体经过发射器和接收器之间时，发射器的光会被遮挡，接收器接收到的光信号就会产生变化，接收光强取决于被测物体对光的吸收大小。

这种发射器、接收器处于分离状态的设计，可以实现长的检测距离和高的检测功率。使检测可靠性不受被检测物的形状，颜色和材质影响，并适用恶劣的工作环境。六、漫反射型的光电传感器

漫反射型的光电传感器是发射器和接收器置于一体，正常情况下接收器收不到发射器发出的光信号；

当检测物通过时阻隔了光，并把光部分反射回来，接收器收到光信号，输出一个开关控制信号。

漫反射型的光电传感器的有效检测距离是由目标被测物的光反射率决定的，由目标物表面性质和颜色决定，其优点是布置方便，只需在一侧安装传感器即可，不需要对齐光路并可以节省安装使用空间。七、反射板型光电传感器八、光电传感器特点1、非接触检测

无需接触检测物体即可进行检测，因此不会划伤检测物体。而且，也不会损伤传感器本身，寿命较长，无需进行维护。2、对检测物体的限制少

由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材，液体等几乎所有物体进行检测。八、光电传感器特点3、响应时间短

光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。4、分辨率高

通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。……………谢

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熊晓倩课程内容主要特性04光敏二极管的结构01光敏二极管的工作原理02光敏三极管的工作原理03一、光敏电阻二极管的机构光敏二极管：

又叫光电二极管（photodiode）是一种能够将光转换成电流或者电压信号的光探测器。二、光敏电阻二极管的工作原理光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。

没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。

当有光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，方向与反方向电流一致。

如果再外电路上接上这个负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。三、光敏电阻三极管的工作原理发射极、基极和集电极光敏三极管和普通三极管的结构相类似。

光敏三极管的基极和发射极之间的PN结受到光照时，会产生电子空穴对，从而形成反向电流。这个反向电流的大小与光照强度成比例，因此光敏三极管可以实现光信号的转换和放大。三、光敏电阻三极管的工作原理基极发射极集电极四、主要特性（一）光照特性

光敏二极管的光照特性曲线的线性较好。

光敏三极管的光照特性给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。

当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。四、主要特性(二)伏安特性四、主要特性（三）光谱特性可见光或探测赤热状态物体时,一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。四、主要特性（四）频率特性

减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。

光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响。相对灵敏度/%入射光调制频率/Hz四、主要特性（五）温度特性

温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响较小，而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。……………谢

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熊晓倩课程内容光敏电阻的应用03光敏电阻的原理01光敏电阻的主要特性02光敏电阻结构结构：

光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基板（陶瓷基体）和电极等组成。光敏电阻结构图光敏电阻器件芯片与外观图请去除水印一、光敏电阻的原理工作原理：

光电导效应。当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，电阻率减小，光敏电阻阻值减小。二、光敏电阻的主要特性

光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。

光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。二、光敏电阻的主要特性(一)伏安特性伏安特性：

在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。光敏电阻电压（V）二、光敏电阻的主要特性光敏电阻电压（V）

在给定的电压情况下，光照度越大，光电流也就越大；

在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。

光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。

需要注意的是光敏电阻的阻值与入射光量有关，不同照度下光敏电阻的阻值是一个定值，（斜率一定），与电压电流无关。(一)伏安特性二、光敏电阻的主要特性(二)光照特性光照特性：

在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系。

由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。二、光敏电阻的主要特性（三）光谱特性光敏电阻的光谱特性图

对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。

各种材料的光谱特性如图所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。

因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑。二、光敏电阻的主要特性（四）频率特性

当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。

多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合。三、光敏电阻的应用

电路中，VS1是单向晶闸管，R1是光敏电阻器。

（1）当光线亮时，光敏电阻器R1阻值小，220V交流电压经VD1整流后，成为单向脉冲性直流电压，该电压在R1分压很小，加到晶闸管VS1控制极的电压小，这时晶闸管VS1不能导通，所以HL灯回路无电流，灯不亮。三、光敏电阻的应用

（2）当光线暗时，光敏电阻器R1阻值大，R1分压增大，加到晶闸管VS1控制极的电压大，这时晶闸管VS1进入导通状态，所以HL灯回路有电流流过，灯点亮。三、光敏电阻的应用

（3）调节电阻器RP1的阻值，可以改变RP1与R1的分压输出电压大小，从而可以改变晶闸管VS1触发电压大小，这样可以调整光线变暗到什么程度时晶闸管VS1导通，点亮楼道灯。三、光敏电阻的应用……………谢

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熊晓倩课程内容光电池的应用03光电池的结构和工作原理01光电池的主要特性02一、光电池的结构和工作原理光敏面一、光电池的结构和工作原理结构

它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。

上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬