高中物理之傳感器及其工作原理知識(shí)點(diǎn)

1、高中物理之傳感器及其工作原理知識(shí)點(diǎn)傳感器能夠感受諸如力，溫度，光，聲，化學(xué)成分等物理量， 并能把他們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為便于傳送和處理的里一 個(gè)物理量（通常是電流，電壓等電學(xué)量）或轉(zhuǎn)換為電路的通 斷。把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，就可以很方便的進(jìn)行測(cè)量， 傳輸，處理和控制了。傳感器原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、 濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓 值、電流值、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常 要經(jīng)過(guò)放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作，傳感器 原理如圖所示。傳感器應(yīng)用的一般模式常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用光敏傳感器火災(zāi)報(bào)警器1、 光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生變化

2、，這樣光敏電阻可 以把光照強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個(gè)電學(xué)量。2、 光敏傳感器的電阻隨光照的增強(qiáng)而減小光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或 者溫度升高時(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同 時(shí)也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度 傳感器，它可以把熱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)控制。 （1）電熨斗的構(gòu)造：（2）電熨斗的自動(dòng)控溫原理其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如上圖所示常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的，但溫度過(guò)高時(shí)，由于 雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨 脹小則雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)分離，從而

3、切斷電源，停止加熱。溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路 加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動(dòng)控制溫度的作用。熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設(shè)定不同的溫度。這 是如何利用調(diào)溫旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的？常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)接觸，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，雙金屬 片的膨脹系數(shù)不同，上層金屬的膨脹系數(shù)大于下層膨脹系數(shù)， 上層金屬向下彎曲的厲害，從而使上、下觸點(diǎn)分離。通過(guò)調(diào) 溫旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)升降螺絲的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)不同溫度的設(shè)定。如需 設(shè)定的溫度較高，則應(yīng)使升降螺絲下降；反之，升高。測(cè)定壓力的電容式傳感器當(dāng)待測(cè)壓力 F 作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，可使膜片產(chǎn)生 形變，從而引起電容的變化，如果將電容器與靈敏電流計(jì)、 電源串聯(lián)，組成閉合電路

4、，當(dāng) F 向上壓膜片電極時(shí)，電容器 的電容將增大。電流計(jì)有示數(shù)，則壓力 F 發(fā)生了變化（如圖 所示）相比而言，金屬熱電阻化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，而 熱敏電阻的靈敏度較好。力傳感器的應(yīng)用電子秤（1） 組成：由金屬架和應(yīng)變片組成（2） 電子秤的工作原理：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(gè)應(yīng)變片，在梁的自由 端施力 F，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，下表面的電阻變小F 越大，彎曲形 變?cè)酱?，?yīng)變片的阻值變化就越大，如果讓?xiě)?yīng)變片中通過(guò)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(gè)電壓的差值輸出

5、外力 越大輸出的電壓差值也就越大。聲傳感器的應(yīng)用話筒（1）動(dòng)圈式話筒的原理話筒是把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。下圖是動(dòng)圈式話筒的構(gòu) 造原理圖，它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的。當(dāng)聲波使金屬膜 片振動(dòng)時(shí)，連接在膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動(dòng)。 下圖話筒的原理圖音圈在永磁鐵的磁場(chǎng)里振動(dòng)，其中就產(chǎn)生 感應(yīng)電流（電信號(hào)）。感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅 和頻率的變化由聲波決定這個(gè)信號(hào)電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳 給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音。（2）電容式話筒的原理：如圖所示，Q 是絕緣支架，薄金屬膜 M 和固定電極 N 形成一 個(gè)電容器，被直流電源充電。當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā) 生變化，電路中形成變化

6、的電流，于是電阻 R 兩端就輸出了 與聲音變化規(guī)律相同的電壓。其優(yōu)點(diǎn)是保真度好。（3）駐極體話筒1 極化現(xiàn)象：將電介質(zhì)放入電場(chǎng)中，在前后兩個(gè)表面上會(huì)分 別出現(xiàn)正電荷與負(fù)電荷的現(xiàn)象。2 駐極體：某些電介質(zhì)在電場(chǎng)中被極化后去掉外加電場(chǎng)， 仍然會(huì)保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為駐極體。 原理：同電容式話筒只是其內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑 料薄膜。特點(diǎn)：體積小重量輕，價(jià)格便宜，靈敏度高工作電壓 低，只需 36V霍耳元件1、如圖所示，厚度為 d 的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng) 度為 B 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)恒定電流 I 通過(guò)導(dǎo)體板時(shí)，導(dǎo)體板 的左右側(cè)面出現(xiàn)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)在這個(gè)矩 形半導(dǎo)體上制作四個(gè)

7、電極 EFMN 就成為一個(gè)霍耳元件，能夠 把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。2、霍耳電壓1 其中 k 為比例系數(shù)，稱為霍耳系數(shù)，其大小與薄片的材料 有關(guān)。2 一個(gè)霍耳元件的 d、k 為定值，再保持 I 恒定，則的變化就 與 B 成正比，因此霍耳元件，又稱磁敏元件。3、工作原理霍耳元件就是利用霍耳效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個(gè)電極，如圖所示，沿EF方向通入電流 I ，垂直于薄片加勻強(qiáng)磁場(chǎng) B，則在 MN 間會(huì)出 現(xiàn)電勢(shì)差 U，設(shè)薄片厚度為 d，EF 方向長(zhǎng)度為 l1 ，MN 方向 為 l2 。薄片中的帶電粒子受到磁場(chǎng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使 N 側(cè)電勢(shì) 高于 M

8、 側(cè)，造成半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)，帶電粒子同時(shí)受到電 場(chǎng)力作用。當(dāng)磁場(chǎng)力與電場(chǎng)力平衡時(shí)，MN 間電勢(shì)差達(dá)到恒定。再根據(jù)電流的微觀解釋 整體得：令其中 n 為材料單位體積的帶電粒子個(gè)數(shù)，q 為單個(gè)帶電粒子的電荷量。則有可見(jiàn)，U 與 B 成正比這就是為什么霍耳元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換 成電學(xué)量的原因。習(xí)題演練1. 下圖為包含某邏輯電路的一個(gè)簡(jiǎn)單電路圖，L 為小燈泡。 光照射電阻時(shí)，其阻值將變得遠(yuǎn)小于 R，則下列說(shuō)法正確的 是 （ ）A 該邏輯電路是非門電路；當(dāng)電阻受到光照時(shí)，小燈泡 L 不發(fā)光B 該邏輯電路是非門電路；當(dāng)電阻受到光照時(shí)，小燈泡 L 發(fā) 光C 該邏輯電路是與門電路；當(dāng)電阻受到光照時(shí)，小燈泡 L 不 發(fā)光D 該邏輯電路是或門電路；當(dāng)電阻受到光照時(shí)，小燈泡 L 發(fā) 光2.如圖所示是一火警報(bào)警器的部分電路示意圖.其中 R3 為用 半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器 . 值班