高中物理之传感器及其工作原理知识点

高中物理之传感器及其工作原理知识点

传感器

能够感受诸如力，温度，光，声，化学成分等物理量，并能把他们按照一定的规律转化为便于传送和处理的里一个物理量（通常是电流，电压等电学量）或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，就可以很方便的进行测量，传输，处理和控制了。

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，传感器原理如图所示。

传感器应用的一般模式

常见传感器的应用

光敏传感器——火灾报警器

1、光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。

2、光敏传感器的电阻随光照的增强而减小

光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，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。

温度传感器的应用——电熨斗

由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。（1）电熨斗的构造：

（2）电熨斗的自动控温原理

其内部装有双金属片温度传感器，如上图所示

常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小．则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，

停止加热。温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。

熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度。这是如何利用调温旋钮来实现的？

常温下，上、下触点应当接触，当温度过高时，双金属片的膨胀系数不同，上层金属的膨胀系数大于下层膨胀系数，上层金属向下弯曲的厉害，从而使上、下触点分离。通过调温旋钮来调节升降螺丝的升降来实现不同温度的设定。如需设定的温度较高，则应使升降螺丝下降；反之，升高。

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上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流计、电源串联，组成闭合电路，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（如图所示）

相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。

力传感器的应用——电子秤

（1）组成：由金属架和应变片组成

（2）电子秤的工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定。在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出．外力越大．输出的电压差值也就越大。

声传感器的应用——话筒

（1）动圈式话筒的原理

话筒是把声音转变为电信号的装置。下图是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。下图话筒的原理图音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定．这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

（2）电容式话筒的原理：

如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。其优点是保真度好。

（3）驻极体话筒

①极化现象：将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象。

②驻极体：某些电介质在电场中被极化后．去掉外加电场，仍然会保持被极化的状态，这种材料称为驻极体。

③原理：同电容式话筒．只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。

④特点：体积小．重量轻，价格便宜，灵敏度高．工作电压低，只需3～6V

霍耳元件

1、如图所示，厚度为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，当恒定电流I通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍耳效应．在这个矩形半导体上制作四个电极EFMN就成为一个霍耳元件，能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

2、霍耳电压

①其中k为比例系数，称为霍耳系数，其大小与薄片的材料有关。

②一个霍耳元件的d、k为定值，再保持I恒定，则的变化就与B成正比，因此霍耳元件，又称磁敏元件。

3、工作原理

霍耳元件就是利用霍耳效应来设计的。一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿EF 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，EF方向长度为l1，MN方向为l2。薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场，带电粒子同时受到电场力作用。当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒

再根据电流的微观解释

整体得：

令其中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。

则有

可见，U与B成正比这就是为什么霍耳元件能把磁学量转换成电学量的原因。

习题演练

1. 下图为包含某逻辑电路的一个简单电路图，L为小灯泡。光照射电阻时，其阻值将变得远小于R，则下列说法正确的是（）

A 该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不

B 该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

C 该逻辑电路是与门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不发光

D 该逻辑电路是或门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

2.如图所示是一火警报警器的部分电路示意图.其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器.值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器.当传感器R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（）

A.I变大，U变大

B.I变大，U变小

C.I变小，U变小

D.I变小，U变大

解析

1.B

2.C