Sensores de temperatura y componentes térmicos.
El sensor de temperatura está compuesto principalmente por componentes térmicos. Hay muchos tipos de componentes térmicos, incluidos bimetálicos, termistores de cobre, termistores de platino, termopares, termistores semiconductores, etc. Los sensores de temperatura que utilizan termistores semiconductores como elementos de detección se utilizan ampliamente porque, bajo las condiciones operativas permitidas por los componentes, los termistores semiconductores tienen las características de tamaño pequeño, alta sensibilidad, alta precisión, proceso de fabricación simple y bajo precio.
El principio de funcionamiento de los termistores semiconductores
Según las características de temperatura, los termistores se pueden dividir en dos categorías. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la resistencia de un termistor con coeficiente de temperatura positivo y aumenta la resistencia de un termistor con coeficiente de temperatura negativo.
(1) Principio de funcionamiento del termistor de coeficiente de temperatura positivo
Este termistor se basa en titanato de bario, mezclado con una cantidad adecuada de elementos de tierras raras y utiliza cerámica. Está fabricado con alta Proceso de sinterización a temperatura. El titanato de bario puro es un material aislante, pero después de mezclarse 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, que equivalen a barreras potenciales para la conducción de electrones. Cuando la temperatura es baja, debido al campo eléctrico en el semiconductor BaTiO_3, los electrones conductores pueden atravesar fácilmente la barrera de potencial, por lo que el valor de resistencia es menor. Cuando la temperatura aumenta hasta la temperatura del punto Curie (es decir, la temperatura crítica, el punto Curie del titanato de bario es generalmente 120 °C como "punto de control de temperatura" de este elemento), el campo eléctrico interno se destruye y no puede ayudar al Los electrones conductores cruzan la barrera de potencial, por lo que se muestra como un fuerte aumento de la resistencia. Dado que la resistencia de este elemento cambia muy lentamente con la temperatura antes de alcanzar el punto Curie, tiene las funciones de temperatura constante, regulación y control automático de temperatura. Solo produce calor, no se pone rojo, no tiene llama abierta y no es fácil de quemar. El voltaje puede alcanzar 3 ~ 440 voltios CA y CC, y la vida útil es larga. Es muy adecuado para la detección de sobrecalentamiento de equipos eléctricos como motores.
Cómo funciona el coeficiente de temperatura negativo.
El coeficiente de temperatura negativo está formado por óxidos metálicos como óxido de manganeso, óxido de cobalto, óxido de níquel, óxido de cobre y óxido de aluminio mediante tecnología cerámica. Estos materiales de óxido metálico tienen propiedades semiconductoras que son exactamente similares a las de los materiales cristalinos de germanio y silicio. El número de portadores (electrones y huecos) en el cuerpo es pequeño y la resistencia es alta. A medida que aumenta la temperatura, aumenta el número de portadores en el cuerpo y disminuye la resistencia natural. Hay muchos tipos de coeficientes de temperatura negativos, que se utilizan para distinguir entre temperatura baja (-60 ~ 300 ℃), temperatura media (300 ~ 600 ℃) y temperatura alta (>: 600 ℃). Tienen alta sensibilidad y buena estabilidad. , respuesta rápida, larga vida útil. Debido a su bajo precio, se usa ampliamente en circuitos de control automático de temperatura que requieren medición de temperatura de punto fijo, como refrigeradores, aires acondicionados, invernaderos y otros sistemas de control de temperatura.
Cuando el termistor se combina con un circuito amplificador simple, puede detectar cambios de temperatura de una milésima de grado, por lo que las mediciones de temperatura de alta precisión se pueden completar con instrumentos electrónicos. 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 puede alcanzar -273 ℃.
2. Tipos de termistores
Nuestros termistores domésticos están diseñados de acuerdo con la norma ministerial SJ1155-82 y constan de cuatro partes.
Parte 1: Nombre principal, utilizando la letra "m" para indicar elementos sensibles.
Parte 2: Categoría donde se usa la letra "Z" para indicar un termistor con coeficiente de temperatura positivo, o la letra "F" se usa para indicar un termistor con coeficiente de temperatura negativo.
Parte 3: Finalidad o características, representada por un dígito (0-9). El número general '1' representa el uso general, '2' representa la estabilización de voltaje (coeficiente de temperatura negativo), '3' representa la medición de microondas (coeficiente de temperatura negativo), '4' representa el calentamiento indirecto (coeficiente de temperatura negativo), '5' representa Medición de temperatura, '6' representa control de temperatura, '7' representa desmagnetización (termistor de coeficiente de temperatura positivo)
Parte 4: El número de serie, también expresado en números, representa las especificaciones y el rendimiento.
Por la necesidad especial de distinguir esta serie de productos, los fabricantes suelen agregar un 'número de serie derivado' después del número de serie. El número de serie derivado es una combinación de letras, números y '-'. ejemplo: M Z. 1 1
3. Los parámetros principales del termistor
Las condiciones de trabajo de varios termistores deben estar dentro del rango permitido de sus parámetros de fábrica. Hay diez principales. Parámetros del termistor Múltiples: resistencia nominal, temperatura ambiente de funcionamiento (temperatura máxima de funcionamiento), potencia medida, potencia nominal, tensión nominal (tensión máxima de funcionamiento), corriente de funcionamiento, coeficiente de temperatura, constante del material, constante de tiempo, etc. El valor es siempre hay un cierto error en el valor de resistencia a 25°C y potencia cero, que debe estar dentro del 10%. El rango de temperatura de funcionamiento de los termistores comunes es amplio y se puede seleccionar entre -55°C y +315°. C. Vale la pena señalar que la temperatura máxima de funcionamiento de diferentes tipos de termistores es muy diferente. Por ejemplo, el coeficiente de temperatura negativo del chip es +11 y el MF53-65438 es +1. p>
4 Selección de termistores experimentales
Se prefiere el termistor de coeficiente de temperatura negativo de uso general porque es más fácil de observar cuando cambia la temperatura que el termistor de coeficiente de temperatura positivo si es un termistor de coeficiente de temperatura positivo. Se selecciona, la temperatura experimental debe ser inferior a la del termistor de coeficiente de temperatura positivo cerca de la temperatura del punto Curie del componente.
Ejemplo de parámetros del coeficiente de temperatura negativo común MF11
Técnico principal. Nombre de los parámetros Valor del parámetro Diagrama de esquema del símbolo del termistor MF11
Resistencia nominal (kω) 10 ~ 15 símbolos de chip
Potencia nominal (W) 0,25
El rango de valores de La constante del material b es (k) 1980 ~ 3630. p>
Coeficiente de temperatura (10-2/℃)-(2,23 ~ 4,09)
Coeficiente de disipación (mW/℃) ≥5
Constante de tiempo ≤30
Temperatura máxima de funcionamiento (℃) 125
Para medir aproximadamente el valor del termistor, debe elegir un multímetro con un rango moderado y una medición de termistor pequeña Si el termistor es de aproximadamente 10 kω, puede elegirlo. Gire el multímetro MF10 a la posición de ohmios R × 100 y use pinzas de cocodrilo en lugar de bolígrafos para sujetar las dos clavijas del termistor cuando la temperatura ambiente sea significativamente más baja. Temperatura corporal, la lectura es 10,2 k y sosténgala con las manos. Al sostener el termistor, puede ver que la resistencia indicada por la aguja disminuye gradualmente. Después de soltar la mano, la resistencia aumenta y se recupera gradualmente. dicho termistor (la temperatura máxima de funcionamiento es de unos 100°C).
Varios sensores de temperatura prácticos
Un sensor de control de temperatura especial en aires acondicionados: el elemento sensible al calor está encapsulado en metal de cobre.
bSensor de medición de temperatura
Sensor óptico dual y elemento fotosensible
El sensor óptico está compuesto principalmente por elementos fotosensibles. En la actualidad, los elementos fotosensibles se están desarrollando rápidamente, con diversos tipos y amplias aplicaciones. Se encuentran disponibles comercialmente fotorresistores, fotodiodos, fototransistores, optoacopladores y fotocélulas.
1. Fotorresistor
El fotorresistor está compuesto por un cristal fotoeléctrico semiconductor transmisor de luz. Debido a sus diferentes composiciones, se divide en fotorresistor de luz visible (cristal de sulfuro de cadmio) y fotorresistor de luz infrarroja (. cristal de arsénico y galio) y fotorresistor UV (cristal de sulfuro de zinc). Cuando 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 y resistencia a la luz: bajo un cierto voltaje externo, cuando hay luz (iluminación de 100 lx), la corriente que fluye a través del fotorresistor se llama Fotocorriente; la relación entre el voltaje aplicado y la corriente es la fotorresistencia, que generalmente es de unos pocos kω a docenas de kω.
◆Corriente de oscuridad y resistencia de oscuridad: bajo un cierto voltaje aplicado, cuando no hay luz (0 lx de luz), la corriente que fluye a través del fotorresistor se llama corriente de oscuridad; La corriente es la corriente oscura. La resistencia es generalmente de unos pocos cientos de 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): se encuentran disponibles el producto de la corriente luminosa del fotorresistor y el voltaje externo; desde 5 mW hasta 300 mW.
◆Los principales parámetros del fotorresistor incluyen tiempo de respuesta, sensibilidad, respuesta espectral, características de iluminación, coeficiente de temperatura, características de voltios-amperios, etc.
Vale la pena señalar que las características de iluminación (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. Por ejemplo, un fotorresistor que contiene CdS (sulfuro de cadmio) 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:
Especificación del modelo mg 41-22 mg 42-16 mg 44-02 mg 45-52
Temperatura ambiente (℃)-40 ~ +60-25~+55-40~+70-40~+70
Potencia nominal (mW) 20 10 5 200
Resistencia a la luz, 100 LX(kω)≤ 2 ≤50≤2≤2≤50≤2≤2.
Resistencia a la oscuridad, 0lx(mω)≥1≥10≥0.2≥1.
Tiempo de respuesta (milisegundos) ≤20 ≤20 ≤20 ≤20
Tensión máxima de funcionamiento (v) 100 50 20 250
2 fotodiodos
p>
En comparación con los diodos ordinarios, excepto que el núcleo del tubo también es una unión PN y tiene conductividad unidireccional, todo lo demás es muy diferente. En primer lugar, la profundidad de la unión PN en la matriz 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, pero el área del electrodo es pequeña, lo que favorece la fotosensible; superficie que recoge más luz; tercero El fotodiodo tiene una apariencia de "ventana" sellada con una lente de plexiglás, que puede enfocar la luz sobre la superficie fotosensible, por lo tanto, la sensibilidad y el tiempo de respuesta del fotodiodo son muy superiores a los del fotorresistor;
Varios fotodiodos comunes y sus símbolos son los siguientes:
2DU tiene tres polos: polo frontal, polo trasero y polo anular. Entre ellos, el electrodo de anillo está diseñado para reducir la corriente oscura del fotodiodo y aumentar la estabilidad de 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 ~ 50 V), corriente oscura (≤0,05 ~ 1 microamperio), fotocorriente (> 6 ~ 80 microamperio), 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, respuesta rápida, alta sensibilidad a la luz en un amplio rango de longitudes de onda y bajo ruido. La desventaja es que la corriente (o voltaje) de salida es muy pequeña cuando se usa sola y requiere un circuito de amplificación. Adecuado para circuitos de comunicación y control fotoeléctrico.
La detección del fotodiodo se puede realizar con un multímetro R×1K. La resistencia directa debe ser 10Kω~200kω y la resistencia inversa debe ser ∞. Cuanto mayor sea el ángulo de desviación hacia la derecha después de quitar la visera, mayor será la sensibilidad.
Un fototransistor puede verse como una combinación de un fotodiodo y un triodo. Debido a su función de amplificación, su sensibilidad fotocorriente, fotocorriente y fotoeléctrica son mucho mayores que las de los fotodiodos. Sin embargo, debido a 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.
Los dispositivos optoelectrónicos semiconductores también tienen estructuras MOS, como el CCD (Charge Coupled Device) comúnmente utilizado en escáneres y cámaras, que es una matriz de fotodiodos integrada o estructura MOS.
Tres sensores de gas y sensores de gas
El libro de texto solo requiere experimentos simples sobre las características de termistores y fotorresistores. Dado que el gas está estrechamente relacionado con la vida diaria humana, la detección de gas es un medio indispensable para proteger y mejorar el entorno de vida ecológico, y los sensores de gas desempeñan un papel extremadamente importante.
Por ejemplo, cuando la concentración de monóxido de carbono en el ambiente de vida alcanza 0,8 ~ 1,15 ml/L, se producirá dificultad para respirar, pulso acelerado e incluso síncope. Cuando alcanza 1,84 ml/L, existe riesgo de muerte en unos pocos minutos. , por lo que la detección de monóxido de carbono debe ser rápida y precisa. Los materiales semiconductores sensibles al gas de óxido metálico de dióxido de estaño se utilizan para preparar nanopartículas de dióxido de estaño mediante partículas ultrafinas y procesos de dopaje, y luego se dopan con un determinado catalizador como matriz, y la superficie se modifica mediante un proceso de sinterización apropiado para calentar indirectamente. El sensor de gas CO sinterizado puede detectar gas CO en el rango de 0,005% ~ 0,5%. También hay muchos sensores que detectan gases tóxicos como gas combustible explosivo, gas alcohol y gases de escape de automóviles. 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 por contacto es generalmente un alambre de platino (también puede estar recubierto con una capa catalítica de platino, paladio y otros metales raros). Cuando está en uso, se aplica corriente al cable de platino para mantener una temperatura alta de 300 °C ~ 400 °C. Si entra en contacto con gas inflamable en este momento, el gas combustible se quemará en la capa catalítica de metal raro, por lo que la temperatura del alambre de platino aumentará y el valor de resistencia del alambre de platino también aumentará. Midiendo 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.). La forma de salida puede ser una corriente generada por oxidación o reducción directa de gas, o una fuerza electromotriz generada por iones que actúan sobre un electrodo de iones. Los sensores de gas semiconductores tienen las características de alta sensibilidad, respuesta rápida, buena estabilidad, uso sencillo, etc., 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 pueden dividir en tipo N y tipo P. Durante la detección, la resistencia de tipo n disminuye a medida que aumenta la concentración de gas; la resistencia de tipo p aumenta a medida que aumenta la concentración de gas. Los materiales semiconductores de óxido metálico sensibles a los gases, como el SnO2, son semiconductores de tipo N. A una temperatura de 200 ~ 300 °C, absorbe oxígeno en el aire y forma una adsorción de oxígeno de iones negativos, lo que reduce la densidad de electrones en el semiconductor y aumenta la resistencia. Cuando hay gases inflamables (como CO, etc.). ) puede suministrar electrones, y el oxígeno originalmente adsorbido se desorbe, y el gas combustible se adsorbe en la superficie del semiconductor de óxido metálico en un estado de ión positivo; la desorción de oxígeno libera electrones, y el gas combustible también libera electrones cuando se adsorbe; un estado de ion positivo, aumentando así el número de semiconductores de óxido. La densidad de electrones en la banda de conducción reduce el valor de resistencia. Cuando se agota el gas combustible, el semiconductor de óxido metálico restaurará automáticamente la adsorción de iones negativos de 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 la matriz semiconductora de óxido metálico; el sensor de gas de calentamiento indirecto se basa en un tubo cerámico, el cable calefactor pasa a través del tubo y hay dos. Electrodos de medición fuera del tubo. Entre ellos hay un material sensor de gas de óxido metálico, que se sinteriza a alta temperatura.
Los parámetros del sensor de gas incluyen principalmente voltaje y corriente de calentamiento, voltaje del bucle 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 elemento semiconductor de tipo N. Tiene alta sensibilidad, buena estabilidad, corto tiempo de respuesta y recuperación, y es ampliamente utilizado en el mercado. Los parámetros del sensor de gas QM-N5 son los siguientes: gas de calibración (0,1% gas butano, en condiciones óptimas de trabajo) voltaje medio ≥ 2 V, tiempo de respuesta ≤ 10 S, tiempo de recuperación ≤ 30 S, voltaje de calentamiento en condiciones óptimas de trabajo es 5 V, bucle de medición El voltaje es de 10 V, la resistencia de carga RL es de 2 K y el voltaje de calentamiento en condiciones de trabajo permitidas es de 4,5 ~. La siguiente imagen es un circuito de prueba simple de un sensor de gas (sensor). Cuanto mayor sea el cambio en el puntero del voltímetro, mayor será la sensibilidad. Siempre que se agregue un circuito simple, se puede realizar la alarma. Los sensores de gas comunes incluyen el MQ-31 (especialmente utilizado para detectar CO), el sensor de vino QM-J1, etc.
Cuatro sensores de fuerza y sensores de fuerza
Existen muchos tipos de sensores de fuerza. El método de medición tradicional consiste en expresar la deformación y el desplazamiento de materiales elásticos. Con el desarrollo de la tecnología microelectrónica, el efecto piezorresistivo (es decir, su resistividad cambia cuando se aplica presión en una determinada dirección) y la buena elasticidad de los materiales semiconductores se utilizan para desarrollar sensores de fuerza de tamaño pequeño, livianos y de alta en sensibilidad Se utiliza para medir cantidades físicas y mecánicas como la presión y la aceleración.
Cinco sensores magnéticos y sensores magnéticos
Actualmente existen elementos Hall (basados en el efecto Hall) y dispositivos magnetorresistivos (basados en el efecto magnetorresistencia: el campo magnético externo provoca la resistencia de El semiconductor cambia con el campo magnético), diodos y triodos magnéticos, etc. Los sensores magnéticos basados en sensores magnéticos se utilizan ampliamente en la medición de algunas cantidades eléctricas, magnéticas y mecánicas.
En cierto sentido, los sensores tienen una relación correspondiente con los sentidos humanos, y sus capacidades de detección superan con creces los sentidos humanos. Por ejemplo, un sistema de imágenes infrarrojas (cámara de visión nocturna) que utiliza la radiación infrarroja del propio objetivo para la observación puede detectar personas a 1.000 metros de distancia y vehículos a 2.000 metros de distancia en la oscuridad. El componente central de la cámara termográfica es el sensor de infrarrojos; . En la Guerra del Golfo de 1991, el alcance de detección de los dispositivos de visión nocturna equipados en los tanques iraquíes era de sólo 800 metros, menos de la mitad que el de Estados Unidos y Gran Bretaña, por lo que la derrota en la oscuridad era inevitable. En la actualidad, países de todo el mundo consideran la tecnología de sensores como el foco del desarrollo de alta tecnología. Para mejorar en gran medida el rendimiento de los sensores, continuaremos adoptando nuevas estructuras, nuevos materiales y nuevas tecnologías, y evolucionaremos hacia la miniaturización, la integración y la inteligencia.