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第六章传感器第一节传感器及其工作原理•1．知道什么是传感器及传感器的工作原理．•2．掌握制作传感器的常用元件的特征．(重点)•3．在理解传感器特征的基础上，掌握各元件的简单应用．(难点)•一、什么是传感器•1．定义•感受量，并能把它们按照一定的规律转换为量，或转换为电路的的一类元件．•2．工作原理非电学电学通断•二、光敏电阻•1．特点•电阻值随光照增强而．•2．原因分析•光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子，导电性能；随着光照的增强，载流子，导电性．•3．作用•把这个光学量转换为这个电学量．减小极少不好不好变好光照强弱电阻•三、热敏电阻和金属热电阻热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度升高而____电阻率随温度升高而____制作材料优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用将这个热学量转换为这个电学量减小增大半导体金属温度电阻•利用半导体的导电机理说明氧化锰热敏电阻的电阻率为什么会随温度的升高而减小？•提示：温度越高，半导体中载流子数目越多，所以导电性能越强．•四、霍尔元件•1．组成•在一个很小的矩形半导体薄片上，制作4个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件．•2．原理•E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在力作用下，向着与和都垂直的方向漂移，使M、N间出现(如图)．洛伦兹电流磁场电压•3．霍尔电压•UH＝，d为薄片厚度，k为霍尔系数．一个霍尔元件的d、k为定值，若保持I恒定，则UH就与B成．•4．作用•把这个磁学量转换为这个电学量．kIBd正比磁感应强度电压•一、传感器•1．传感器的作用：能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求，把这些信息转换成可用的输出信息的器件和装置，叫做传感器．传感器是各种测量和自动控制系统的“感受器官”．•2．传感器的特点：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断．•3．传感器原理：传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作．即：非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量•二、光敏电阻•1．特点：阻值随着光照强度的增大而减小．•2．电阻变化的原因：硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子也增多，导电性能变好，电阻变小．•3．作用：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量．•4．构成材料：光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照而温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。•三、热敏电阻和金属热电阻•1．热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻——温度特性曲线．•2．热敏电阻的两种型号及其特性：热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．在其工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．一般常用的是负温度系数热敏电阻器．•3．热敏电阻器的分类分类方式类别电阻温度特性正温度系数、负温度系数材料金属、半导体(单晶、多晶、陶瓷)结构珠状、片状、杆状、膜状工作方式直热式、旁热式工作温度常温、高温、低温用途测温、控温、辐射能(功率)测量、稳压(稳辐)等•4．金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻可以制成温度传感器，称为热电阻．•如图为某金属导线的电阻——温度特性曲线．•【温馨提示】按热敏电阻随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小．•四、霍尔元件的工作原理•霍尔元件就是利用霍尔效应来设计的．一个矩形霍尔材料薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿PQ方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U.设薄片厚度为d，PQ方向长度为l1，MN方向为l2.薄片中的带电粒子即载流子受到磁场力发生偏转，使N侧与M侧产生电势差，造成材料薄片内部出现电场，载流子同时受到电场力与磁场力作用．当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒定，qUl2＝qvB.设一个载流子带电荷量为e，根据电流的微观解释I＝neSv.整理后，得U＝IBned.令k＝1ne，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，e为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以U＝kIBd.U与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因了．•五、电容式传感器•1．原理•电容器的电容C取决于极板正对面积S，极板间距离d及极板间电介质这几个因素，如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化．•2．用途•图(1)是用来测定角度θ的电容式传感器，当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况．•图(2)是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况．•图(3)是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况．•图(4)是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况．【温馨提示】电容式传感器是利用了平行板电容器电容的变化来反映S、d等量的变化，遇到具体问题时，要注意分析是S、d还是εr发生变化，熟记公式C＝εrS4πkd非常重要．•关于干簧管，下列说法正确的是•A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用•B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的•C．干簧管接入电路中相当于开关的作用•D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的•对传感器的理解•思路点拨：解答本题时应把握以下两点：•(1)干簧管的原理是磁铁的磁效应使两个簧片磁化成相反的磁极．•(2)干簧管在电路中起到开关的作用．•解析：干簧管能感知磁场，是因为两个簧片由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个簧片被磁化，就会相互吸引，可当做开关来使用，作为控制元件以实现自动控制．•答案：CD•【题后总结】干簧管接入电路，管内的两个簧片在磁场的作用下控制电路的通断，起到自动控制电路的作用，因此在实际的生活、生产中有大量的运用，如光电报警器等．•【针对训练】1.下列说法正确的是()•A．传感器担负着信息采集的任务•B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器•C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件•D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具•答案：BD•如图，R1、R2为定值电阻，L是小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时•A．电压表的示数增大•B．R2中电流强度减小•C．小灯泡的功率增大•D．电路的路端电压降低•对光敏电阻的理解•解析：•答案：ABCD•【题后总结】本题易错点：不明确光照强度增大后，光敏电阻阻值如何变化，以至于无法判断电路中电流、电压的分配关系如何变化．•【针对训练】2.如图所示，R3是光敏电阻，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻R3时，则()•A．R3的电阻变小，a点电势高于b点电势•B．R3的电阻变小，a点电势低于b点电势•C．R3的电阻变大，a点电势高于b点电势•D．R3的电阻变大，a点电势低于b点电势•解析：R3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，R3两端电压降减小，故a点电势将升高，因其他阻值不变，所以a点电势将高于b点电势．•答案：A•对热敏电阻特性的理解•在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时•A．电容器C的带电荷量增大•B．电压表的读数增大•C．电容器C两板间的电场强度减小•D．R1消耗的功率增大思路点拨：R2变化→R总变化→I总变化→U端变化→UR2变化解析：当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝U2d，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．答案：AB•【题后总结】热敏电阻和金属热电阻的区别及联系•(1)区别：①热敏电阻和金属热电阻的导电性能与温度的变化关系不相同，热敏电阻的导电性能一般随温度的升高而增强；金属热电阻的导电性能随温度升高而降低．•②热敏电阻和金属热电阻的优缺点：热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好；测量范围较大，但灵敏度较差．•(2)联系：热敏电阻和金属热电阻都能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量．•【针对训练】3.如图所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的IU关系曲线图．•(1)为了通过测量得到如上图所示IU关系的完整曲线，在下图所示的a和b两个电路中应选择的是图__________．•(2)在图c所示的电路中，电源电压恒为9V，当给热敏电阻加热后，电流表读数将______(选填“增大”、“减小”或“不变”)•解析：由于图中要求测量多组数据，所测电压调节范围较大，且从零开始变化，所以应选用滑动变阻器的分压式接法，故应选图a；热敏电阻温度升高时，其电阻值减小，故干路中的电流增大．•答案：(1)a(2)增大•如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面的电势高？电势差是多少？•霍尔元件的工作原理•思路点拨：当电子在金属导体中定向移动时，受到的洛伦兹力会使其在上表面聚集，下表面将有等量的正电荷，在导体中形成电场，由于上表面带负电，则电势低，随着正、负电荷不断地向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qE＝qvB时，电荷将不再偏移，上、下表面间形成稳定电压．解析：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面将带有等量的正电荷，故下表面电势高；设其电势差为U，当运动的电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qUb＝qvB.又因为导体中的电流I＝neSv＝nevbd，因此U＝IBned.答案：下表面IBned【题后总结】(1)判断电势高低时要注意载流子是正电荷还是负电荷．(2)由以上计算得，上、下两表面间的电压稳定时，U＝IBned，其中n为单位体积内的自由电荷数，e为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，若令k＝1ne，则U＝kIBd，此即课本所给出的公式．【针对训练】4.如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝kIBd.式中的比例系数k称为霍尔系数．设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v、电量为e.(1)求电子所受的洛伦兹力的大小；(2)证明霍尔系数k＝1ne.其中n代表导体板单位体积中电子的个数．解析：(1)f＝evB.(2)电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，两力平衡，有eUh＝evB得U＝hvB通过导体的电流I＝nev·d·h由U＝kIBd，有hvB＝k·nevB·d·hd，得k＝1ne.答案：(1)evB(