第9.2节常见传感器的工作原理（原卷版）

第九章·传感器第2节常见传感器的工作原理◎目标导航知识要点难易度1．霍尔元件原理：电流在磁场中产生横向电压，电压正比于电流2．力应变片3．电容传感器4．电阻传感器★★★★★★★◎知识精讲1．磁传感器（霍尔元件）（1）磁传感器的主要部分由半导体材料构成。半导体材料中的自由电荷一类是正电荷，另一类是负电荷。把这两种半导体薄片放在匀强磁场中，其平面与匀强磁场方向垂直，电流方向向上，如下图所示。由于受洛伦兹力的作用，图(a)中正电荷向薄片右边积累，图(b)中负电荷向薄片也向右边积累，使得每块薄片的两侧都产生电势差，这个现象叫做霍尔效应。注意：电流方向相同，导体中自由电荷不同，霍尔效应产生的高电势位置不同。（2）霍尔元件的工作原理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MN方向长度为d，沿电流方向的横截面积为S，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，在半导体内部出现电场。带电粒子同时受到磁场力和电场力作用且方向相反，当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒定，此时有：Eq=根据电流的微观解释，整理后得U=IBn因为d、、I、均为常数，所以U与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原理。2．应变式力传感器①组成：由金属梁和应变片组成。②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，左梁的自由端施力，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，下表面电阻变小。越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大。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。3．气敏传感器气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器。如酒精传感器，当接触的气体中乙醇气体的浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低，从而将酒精浓度转化为电信号。应用：交警部门执法，以制止和处罚“酒后驾车”及“醉酒驾车”的行为。4．压电效应和气敏传感器压电效应：某些晶体在变化的外力作用下，表面会出现等量异号电荷，外力稳定或撤去外力后表面又恢复电中性的现象。特点：只对变化敏感。应用：利用压电效应特性可以把压电陶瓷片制成传感器，用它测量，得到振动图像。5．电容式传感器电容器的电容决定于极板正对面积、板间距离以及极板间的电介质这几个因素，如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，作这种用途的电容器称为电容式传感器。图甲是测定角度的电容式传感器。变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化。图乙是测定液面高度的电容式传感器。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。液面高度发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容发生变化。图丙是测定压力的电容式传感器，待测压力作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离发生变化，引起电容的变化。图丁是测定位移的电容式传感器。随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容发生变化。6．电阻应变片原理：金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。在装置中使用了一只电压表（图中没有画出），通过观察电压表示数，可以了解油量情况。将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何不同？7．各种传感器的信号转化传感器名称输入的物理量输出的物理量光敏电阻光学量电学量热敏电阻热学量电学量金属热电阻热学量电学量电阻应变片力学量电学量电容式位移传感器力学量电学量霍尔元件磁学量电学量◎例题讲解例1．霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于测量和自动化技术等领域．如图所示为一长度一定的霍尔元件，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下，在元件中通入图示从E到F方向的电流I，元件中的载流子带负电，下列说法中正确的是()A．该元件能把电学量转化为磁学量B．该元件C面的电势高于D面的C．如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度，应保持C、D面竖直D．如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比例2.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数变化与时间t的关系如图乙所示，下列判断正确的是（）A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动例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，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当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的变化为（）A．h增大B．h减小C．h不变D．无法确定◎巩固练习1.在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是（）A．光传感器B．温度传感器C．声音传感器D．压力传感器2.在一些星级宾馆的洗手间经常装有自动于，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干能使传感器工作，是因为（）A．改变湿度B．改变温度C．改变磁场D．改变电容3.如图所示，铜板放入垂直向里的匀强磁场中（即磁场垂直ABCD平面向里），当铜板中有图示电流流过时，下列说法正确的是（）A．ABCD面的电势高于面的电势B．ABCD面的电势低于面的电势C．AA'D'D．AA'D'4.如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的面极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的（）A．距离变化B．正对面积变化C．介质变化D．电压变化5．传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是（）A．温度传感器B．压力传感器C．磁传感器D．光传感器6.如图甲所示是一个霍尔元件，是一个四端元件，其中AC端输入控制电流，BD端输出霍尔电压，可用多用电表的电压挡来检测。如图乙，将霍尔元件的BD端与多用电表的最灵敏的50μA电流挡相连（由于霍尔电压很小，把它直接加在电流表两端，通过测量电流的变化，就可以知道电压的变化），电源E（6V～12V）与可变电阻R（470Ω）串联后连到霍尔元件的AC端，用以输入控制电流，R的滑动端置于中间位置。将条形磁铁的磁极靠近霍尔元件H，观察多用电表指针读数的变化。保持霍尔元件H与条形磁铁磁极的相对位置不变，改变R的大小，再观察多用电表指针读数的变化。由此得出，霍尔电压与________有关。7．电动自行车速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称“霍尔转把”，属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图（甲）。开启电源时，在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，如图（乙）。