第9.2節(jié) 常見傳感器的工作原理（原卷版）

第九章·傳感器第2節(jié)常見傳感器的工作原理◎目標導(dǎo)航學(xué)問要點難易度1．霍爾元件原理：電流在磁場中產(chǎn)生橫向電壓，電壓正比于電流2．力應(yīng)變片3．電容傳感器4．電阻傳感器★★★★★★★◎?qū)W問精講1．磁傳感器（霍爾元件）（1）磁傳感器的主要部分由半導(dǎo)體材料構(gòu)成。半導(dǎo)體材料中的自由電荷一類是正電荷，另一類是負電荷。把這兩種半導(dǎo)體薄片放在勻強磁場中，其平面與勻強磁場方向垂直，電流方向向上，如下圖所示。由于受洛倫茲力的作用，圖(a)中正電荷向薄片右邊積累，圖(b)中負電荷向薄片也向右邊積累，使得每塊薄片的兩側(cè)都產(chǎn)生電勢差，這個現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。留意：電流方向相同，導(dǎo)體中自由電荷不同，霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的高電勢位置不同。（2）霍爾元件的工作原理一個矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極，如圖所示，沿PQ方向通入電流I，垂直于薄片加勻強磁場B，則在MN間會消滅電勢差U，設(shè)薄片MN方向長度為d，沿電流方向的橫截面積為S，薄片中的帶電粒子受到磁場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使N側(cè)電勢高于M側(cè)，在半導(dǎo)體內(nèi)部消滅電場。帶電粒子同時受到磁場力和電場力作用且方向相反，當磁場力與電場力平衡時，MN間電勢差達到恒定，此時有：Eq=依據(jù)電流的微觀解釋，整理后得U=IBn由于d、、I、均為常數(shù)，所以U與B成正比，這就是霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原理。2．應(yīng)變式力傳感器①組成：由金屬梁和應(yīng)變片組成。②工作原理：如圖所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，左梁的自由端施力，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面電阻變小。越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變化越大。假如讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。外力越大，輸出的電壓差值也就越大。3．氣敏傳感器氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成分的傳感器。如酒精傳感器，當接觸的氣體中乙醇氣體的濃度增加，它對外呈現(xiàn)的電阻值就降低，從而將酒精濃度轉(zhuǎn)化為電信號。應(yīng)用：交警部門執(zhí)法，以制止和懲罰“酒后駕車”及“醉酒駕車”的行為。4．壓電效應(yīng)和氣敏傳感器壓電效應(yīng)：某些晶體在變化的外力作用下，表面會消滅等量異號電荷，外力穩(wěn)定或撤去外力后表面又恢復(fù)電中性的現(xiàn)象。特點：只對變化敏感。應(yīng)用：利用壓電效應(yīng)特性可以把壓電陶瓷片制成傳感器，用它測量，得到振動圖像。5．電容式傳感器電容器的電容打算于極板正對面積、板間距離以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素，假如某一物理量（如角度、位移、深度等）的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化，作這種用途的電容器稱為電容式傳感器。圖甲是測定角度的電容式傳感器。變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發(fā)生變化。圖乙是測定液面高度的電容式傳感器。在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中。導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)。液面高度發(fā)生變化時，引起正對面積發(fā)生變化，使電容發(fā)生變化。圖丙是測定壓力的電容式傳感器，待測壓力作用于可動膜片電極上的時候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離發(fā)生變化，引起電容的變化。圖丁是測定位移的電容式傳感器。隨著電介質(zhì)進入極板間的長度發(fā)生變化，電容發(fā)生變化。6．電阻應(yīng)變片原理：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生氣械形變（伸長或縮短）時，其電阻隨著它所受機械形變的變化而發(fā)生變化。如圖是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端。在裝置中使用了一只電壓表（圖中沒有畫出），通過觀看電壓表示數(shù)，可以了解油量狀況。將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當油量變化時，電壓表的示數(shù)變化有何不同？7．各種傳感器的信號轉(zhuǎn)化傳感器名稱輸入的物理量輸出的物理量光敏電阻光學(xué)量電學(xué)量熱敏電阻熱學(xué)量電學(xué)量金屬熱電阻熱學(xué)量電學(xué)量電阻應(yīng)變片力學(xué)量電學(xué)量電容式位移傳感器力學(xué)量電學(xué)量霍爾元件磁學(xué)量電學(xué)量◎例題講解例1．霍爾元件是實際生活中的重要元件之一，廣泛應(yīng)用于測量和自動化技術(shù)等領(lǐng)域．如圖所示為一長度肯定的霍爾元件，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場垂直于霍爾元件的工作面對下，在元件中通入圖示從E到F方向的電流I，元件中的載流子帶負電，下列說法中正確的是()A．該元件能把電學(xué)量轉(zhuǎn)化為磁學(xué)量B．該元件C面的電勢高于D面的C．假如用該元件測赤道處地磁場的磁感應(yīng)強度，應(yīng)保持C、D面豎直D．假如流過霍爾元件的電流大小不變，則元件C、D面的電勢差與磁場的磁感應(yīng)強度成正比例2.壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計了推斷小車運動狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖甲所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個絕緣重球。小車向右做直線運動過程中，電流表示數(shù)變化與時間t的關(guān)系如圖乙所示，下列推斷正確的是（）A．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻速直線運動B．從t1到t2時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動C．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻速直線運動D．從t2到t3時間內(nèi)，小車做勻加速直線運動例3.如圖所示是一個測定液面高度的傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放在導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，把這兩極接入外電路，當外電路中的電流變化說明電容值增大時，則導(dǎo)電液體的深度h的變化為（）A．h增大B．h減小C．h不變D．無法確定◎鞏固練習(xí)1.在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)覺電梯門不停地開關(guān)，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是（）A．光傳感器B．溫度傳感器C．聲音傳感器D．壓力傳感器2.在一些星級賓館的洗手間經(jīng)常裝有自動于手機，洗手后將濕手靠近，機內(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱，有熱空氣從機內(nèi)噴出，將濕手烘干。手靠近干手機能使傳感器工作，是由于（）A．轉(zhuǎn)變濕度B．轉(zhuǎn)變溫度C．轉(zhuǎn)變磁場D．轉(zhuǎn)變電容3.如圖所示，銅板放入垂直向里的勻強磁場中（即磁場垂直ABCD平面對里），當銅板中有圖示電流流過時，下列說法正確的是（）A．ABCD面的電勢高于面的電勢B．ABCD面的電勢低于面的電勢C．AA'D'D．AA'D'4.如圖所示是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構(gòu)成電容器的面極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其他量發(fā)生變化，使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號，其中導(dǎo)致電容變化的緣由可能是電容器兩板間的（）A．距離變化B．正對面積變化C．介質(zhì)變化D．電壓變化5．傳感器廣泛應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中，常用的計算機鍵盤就是一種傳感器。如圖所示，鍵盤上每一個鍵的下面都連一小金屬片，與該金屬片隔有肯定空氣間隙的是另一小的固定金屬片，這兩金屬片組成一個小電容器。當鍵被按下時，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能夠檢測出哪個鍵被按下，從而給出相應(yīng)的信號。這種計算機鍵盤使用的是（）A．溫度傳感器B．壓力傳感器C．磁傳感器D．光傳感器6.如圖甲所示是一個霍爾元件，是一個四端元件，其中AC端輸入把握電流，BD端輸出霍爾電壓，可用多用電表的電壓擋來檢測。如圖乙，將霍爾元件的BD端與多用電表的最靈敏的50μA電流擋相連（由于霍爾電壓很小，把它直接加在電流表兩端，通過測量電流的變化，就可以知道電壓的變化），電源E（6V～12V）與可變電阻R（470Ω）串聯(lián)后連到霍爾元件的AC端，用以輸入把握電流，R的滑動端置于中間位置。將條形磁鐵的磁極靠近霍爾元件H，觀看多用電表指針讀數(shù)的變化。保持霍爾元件H與條形磁鐵磁極的相對位置不變，轉(zhuǎn)變R的大小，再觀看多用電表指針讀數(shù)的變化。由此得出，霍爾電壓與________有關(guān)。7．電動自行車速度把握是通過轉(zhuǎn)動右把手實現(xiàn)的，這種轉(zhuǎn)動把手稱“霍爾轉(zhuǎn)把”，屬于傳感器非接觸把握。轉(zhuǎn)把內(nèi)部有永久磁鐵和霍爾器件等，截面如圖（甲）。開啟電源時，在霍爾器件的上下面之間加肯定的電壓，形成電流，如圖（乙