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