传感器
随着现代科技的发展，传感器技术的应用越来越广泛。其中，在传感器家族中占有重要地位的成员——温度传感器的应用也深入了各个领域。
于是,在新学期的研学课中,我们小组决定研究温度传感器的构造,工作原理,各种用途并争取自己设计出一款新的传感器.
那么先来了解一下传感器的大家族吧.以下是我们小组前期活动中收集到的资料的汇编.
一、 传感器定义
  什么叫传感器？从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光
敏元件、气 敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。
二 、温度传感器及热敏元件
  温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。
  1 半导体热敏电阻的工作原理
    按温度特性热敏电阻可分为两类，
    随温度上升电阻增加的为
    正温度系数热敏电阻，
    反之为负温度系数热敏电阻。
⑴ 正温度系数热敏电阻的工作原理
   此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺
高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材 料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点’ 一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3～440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
⑵ 负温度系数热敏电阻的工作原理
  负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，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，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60～300℃）、中温（300～600℃）、高温（>600汽车漂移原理℃）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快
、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。
  热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千分之一度的温度变化，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55℃～+315℃，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃，可达-273℃。
三、各种类型传感器
(一)数字温度传感器
TDC数字温度传感器(不锈钢封装的DS18B20传感器)TDC数字温度传感器采用美国Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，传感器采用不锈钢外壳封装, 防水防潮。
  专门设计的传感器不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。
  TDC温度传感器支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度
测量。
二)、温湿度一体化传感器
MSTH型温湿度一体化传感器
  MSTH壁挂式温湿度传感器性能达到了国内外一流水平，是目前相对湿度环境测试的最理想产品之一。其优点在于：仪表采用递推平均数字软件滤波与硬件电路滤波相结合的滤波方法，使外界对采样的干扰尽可能降到最低；传感器采用多个湿敏元件组合，保证全量程模拟量输出线性好，并可同时显示温湿度数值，全量程精度高、稳定性能强、一致性好、使用寿命长、远距离传输不失真、响应速度快、湿度测试具备温度补偿，温湿度信号同步采样等。　它具有RS-232或485串行接口可与计算机组成多点温湿度测量系统，也可单独作为温湿度测量仪表使用。每台计算机最多可与32台仪表连接。
(三)、红外温度传感器
 在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。在产品加工行业中，特别是需要对温度进行远距离监测的场合，一般都是温度传感器大显身手的地方。
原理：任何物体都会发出电磁辐射，这种电磁辐射能被红外温度传感器测量。当物体温度变化时，其辐射出的电磁波的波长也会随之变化，红外传感器能将这种波长的变化转换成温度的变化，从而实现监控、测温的目的特点：抗电磁和射频干扰，实现了无接触测温、
远距离测量高温等功能，红外传感器价格便宜。应用领域：用于食品、采暖空调和汽车等。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上，红外传感器检测温度是否过热，以便系统决定是否进行下一步操作，如停止加热，或是将食品从烤箱中自动取出，或是使吹风机冷却等。
(四)、热电偶温度传感器
比如两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。
热电偶传感器有自己的优点和缺陷它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。
(五)、集成温度传感器
集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测
随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。无论是从设计还是从应用角度看，温度传感器技术既是一门分散型技术，又是一门知识密集型技术。它涉及的知识面宽，交叉学科多，应用条件杂，使用范围广。因此，在工程实践中，要充分发挥温度传感器的作用，必须了解温度传感器的原理、性能、使用特点和方法，以便根据不同的目的，选择相应的产品，构成所需要的检测系统或装置。
我们组研究的重点——感器在如今五花八门的传感器中算得上是历史最悠久的一支了.
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份
额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 总结下来，热敏电阻的发展经历了这三个阶段
1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。2.模拟集成温度传感器/控制器。
3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
热敏电阻的分类
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。
接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到
热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
温度传感器基本原理
传统的分立式温度传感器——热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。
模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完
成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
光纤传感器
光纤式测温原理
光纤测温技术可分为两类:一是利用辐射式测量原理,光纤作为传输光通量的导体,配合光敏元件构成结构型传感器;二是光纤本身就是感温部件同时又是传输光通量的功能型传感器。光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低,无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小,可以单根、成束、Y型或阵列方式使用,结构布置简单且体积小。因此,作为温度计,适用的检测对象几乎无所不包,可用于其他温度计难以应用的特殊场合,如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防水、防腐、特小空间或特小工件等等。目前,光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等
智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、
计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。
数字温度传感器。
随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
温度传感器的应用
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：
①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
由于构成热电偶的金属材料可以耐受很高的温度，例如钨铼热电偶能够工作在2000℃以上的高温，常常用来检测高温环境的热物理参数，还有的材料能够在低温下工作，例如金铁热电偶能够在液氮的温度附近工作。可见热电偶传感器能够在很广泛的温度范围内工作。
经过一学期研学课的学习与讨论，我们小组的成员都已经弄懂了传感器的构造与工作原理，并对温度传感器有了自己的认识。而且，在指导老师的帮助下，我们拿来了不同的传感器进行了实物研究，对几个传感器的“解剖”更是让我们在快乐中对传感器的构造留下了深刻的印象。
美中不足的是，我们没能设计出自己的传感器，但我想我们已经具备了足够的理论知识，再辅以各自的想象力，假以时日，一定会有属于我们自己的传感器的。
从茶叶中提取
现在，越来越多的人们习惯于摄取消除疲劳，但过份摄入有害健康。另一方面，人们忽视了茶叶中存在的事实，没有注意到喝茶对人精神及健康影响。而资料表明，茶叶中也含有一定量，并且是可以通过简单实验提取的。所以，我们打算从茶叶中提取。
这项探究可以让我们验证茶叶中存在，大致了解其含量。并利用资料和实验结果计算茶的浓度为多少能起到振奋精神的作用且无伤身体，从而对人们提出喝茶量的合理建议。