高考物理专题突破------传感器

第六章 传感器

第一节 传感器及其工作原理

【知能准备】

1． 传感器：

传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等_________量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等________量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换_______信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。

常见的传感器有：__________、____________、_____________、___________、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。 2． 常见传感器元件：

（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把__________这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。

（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而_________，用金属丝可以制作___________。它能把___________这个热学量转换为________这个电学量。 热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而_______或_________。与热敏电阻相比，金属热电阻的___________好，测温范围___________，但_____________较差。

（3）电容式位移传感器能够把物体的__________这个力学量转换为______这个电学量。 （4）霍尔元件能够把_______________这个磁学量转换为电压这个电学量

【同步导学】

一、疑难分析

1．光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照射时，载流子极少，导电性能能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。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。

2．热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。

3．金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器。金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大。

4．霍尔元件：如图－2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C 、D 、E 、F ，就制成为一个霍尔元件。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

霍尔电压：d

IB k

U

H

其中k 为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料

有关。一个霍尔元件的厚度d 、比例系数k 为定值，再保持I 恒定，则电压U H 的变化就与B 成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。

二、方法点拨

霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电

力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.

设图中CD 方向长度为L 2，则：qvB L U q

H =2

根据电流的微观解释 I ＝nqsv ， 整理后，得：nqd

IB U H =

令 nq

k 1=

，因为n 为材料单位体积的带电粒子个

数，q 为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：d

IB k U H

=

三、典型例题：

例1．如图－3所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻R t 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往R t 上擦一些酒精，表针

将向_____________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将

热风吹向电阻，表针将向______________（填“左”或“右”）移动。

解析：若往R t 上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R t 温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R t 温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。左，右。

例2．传感器是一种采集信息的重要器件。如图－4所示是一种测定压力的电容式传感器。当待测压力F 作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ）

A ．当F 向上压膜片电极时，电容将减小

B ．当F 向上压膜片电极时，电容将增大

C ．若电流计有示数，则压力F 发生变化

D ．若电流计有示数，则压力F 不发生变化

解析：当F 向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F 发生了变化。 答案：

BC

图－3

图－4

图－2

例3．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、下表面哪面电势高？电势差是多少？（此题描述的是著名的霍尔效应现象）

解析：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判断电子向上

偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U 。 当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即q b

U =qvB

又因为导体中的电流I ＝neSv ＝nev·bd 故U ＝

ned

BI

答案：下表面电势高 电势差为ned

BI

例4．如图－6所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图，R 是金属热敏电阻（温度升高，电阻增大；温度降低后电阻减小），L 是消磁线圈，试说明此电路的工作过程。

解析：打开彩色电视接收机的时候，消磁电路同时接通，热敏电阻温度低，处于冷状态，其电阻值很小，又由于消磁线圈电阻值也很小，所以有很大的电流通过消磁线圈，这个大电流产生很强的磁场作用于显像管上，达到给显像管消磁的目的。对显像管的消磁过程时间很短，因此完成消磁后必须切断消磁线圈的电流，电压不能加在消磁线圈上，这一过程产生的电功率很大，使热敏电阻的温度升高，导致热敏电阻的阻值很大，在热敏电阻上产生的电功率减小，使热敏电阻（后来随着热敏电阻的温度降低，其电阻值减小，但是这时消磁线圈的电压不再加上，是由热敏电阻内部的装置控制的）的阻值减小。

同步检测：

1．简单的说，光敏电阻就是一个简单的_____________传感器，热敏电阻就是一个简单的_______________传感器。

2．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为___________传感器，它输入的是___________信号，经传感器转换后，输出的是____________信号。 3．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h 变化为（ ） A ．h 增大 B ．h 减小 C ．h 不变 D ．无法确定

4．如图所示，R 1为定值电阻，R 2为热敏电阻，L 为小灯泡，当温度降低时（ ）

图－5

第3题