72图1 光敏电阻结构图 光电传感器基本特性的研究
光电传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器．它的物理基础就是光电效
应．光电传感器可以用于检测直接应其光量变化的非电量，也可以用于检测能转换成光量
变化的其他非电量．光电传感器具有相应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而
在监测和控制领域获得广泛应用．
光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻
值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化．它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射
时，其电阻值迅速减小．光敏电阻通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组
成的．广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电
器（如电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中．
【实验目的】
1．了解光电传感器的工作原理及相关的特性；
2．了解非电量转化为电量进行动态测量的方法；
3．选择合理的光路和测量电路；
4．测量光电传感器的基本特性．
【实验原理】
一 光敏电阻
光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种
特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外
界光照强弱（明暗）变化而变化．它在无光照射时，
呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小．光
敏电阻通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和
电极等组成的．广泛应用于各种自动控制电路（如自
动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如
电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光控制等）
及各种测量仪器中．
1．光敏电阻的工作原理
在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应．本实验所用的光敏电阻
就是基于内光电效应的光电元件．当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带
电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴．这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电
导率增加，电导率的改变量为
npenepμμσ⋅⋅Δ+⋅⋅Δ=Δ （1）
（1）式中e为电荷电量；Δp为空穴浓度的改变量；Δn为电子浓度的改变量；μ p为空 73穴的迁移率；μ n为电子的迁移率．
传感器的定义 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。
无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能，传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，它将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。
传感器原理结构 在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着：
（1）激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路
工作过程
向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。
第2章 传感器的基本特性（知识点）
知识点1 传感器的基本特性
传感器的基本特性是指传感器的输入－输出关系特性，是传感器的内部结构参数作用关系的外部特性表现。不同的传感器有不同的内部结构参数，决定了它们具有不同的外部特性。
传感器所测量的物理量基本上有两种形式：稳态（静态或准静态）和动态（周期变化或瞬态）。前者的信号不随时间变化（或变化很缓慢）；后者的信号是随时间变化而变化的。传感器所表现出来的输入-输出特性存在静态特性和动态特性。
知识点2 传感器的静态特性
传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系式中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.1.1 线性度
；
线性度（Linearity）是指传感器的输出与输入间成线性关系的程度。传感器的实际输入-输出特性大都具有一定程度的非线性，在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段，这就是传感器非线性特性的“线性化”。所采用的直线称为拟合直线，实际特性曲线与拟合直线间的偏差称为传感器的非线性误差，取其最大值与输出满刻度值（Full Scale，即满量程）之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。
灵敏度
灵敏度(Sensitivity)是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。
对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性曲线的斜率；非线性传感器的灵敏度为一变量。
分辨率
分辨率(Resolution)是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量，反映传感器能够分辨被测量微小变化的能力。分辨率可以用增量的绝对值或增量与满量程的百分比来表示。
2.1.4 迟滞
迟滞(Hysteresis)，也叫回程误差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正（输入量由小增大）、反（输入量由大减小）行程的输出信号大小不相等的现象。产生迟滞的原因：传感器机械部分存在不可避免的摩擦、间隙、松动、积尘等，引起能
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热敏温度传感器基本特性与应用
作者：汪亮 刘洋 彭庶修
来源：《教育教学论坛》2017年第02期
摘要：对于以培养应用技术型人才为目标的独立学院，应当高度重视实验课程的教学和建设。为提高实验课程的教学质量，培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力，笔者开发了一系列综合性和设计性温度传感器实验，拓展了学生的知识面，提高了学生的实验能力，起到了良好的教学效果，研究成果对于同类型的独立学院物理实验课程改革具有一定的借鉴作用。
关键词：温度传感器；热敏电阻；集成电路型温度传感器
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）02-0194-02
一、温度传感器的基本特性
1.热敏电阻温度传感器的基本特性。热敏电阻是指对温度敏感的半导体材料制成的电阻，一般按温度系数分为：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）。NTC热敏电阻生产最早、最成熟、使用范围也广，最常见的是由金属氧化物组成的，如：锰、钴、铁、镍、铜等两三种的氧化物混合烧结而成。热敏电阻可以根据使用要求封装加工成各种形状的探头。
二、温度传感器的温度特性测试
三、温度传感器的应用电路
下面介绍两个温度传感器应用实验的内容。
1.热敏电阻的应用——电子温控开关。电子温控开关电路见图4。它是由三只三极管组成的直接耦合电路。当环境温度在设定温度以下时，三极管VT1导通，VT2也导通。它的集电极电压在0.3V以下，因此三极管VT3截止，LED不亮，相当于开关断开。如果环境温度上升，热敏电阻的电阻值随之减小，这样三极管VT1的基极电压就会升高，由于VT1是PNP型三极管，所以三极管VT1截止，三极管VT2的基极得不到工作电流也将截止，它的集电极电压升高，使三极管VT3饱和导通，这时LED点亮，相当于开关接通。
