第9.2節(jié)常見傳感器的工作原理

第九章·傳感器第2節(jié)常見傳感器的工作原理◎目標(biāo)導(dǎo)航知識(shí)要點(diǎn)難易度1．霍爾元件原理：電流在磁場(chǎng)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★★★★★★★◎知識(shí)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(fù)電荷。把這兩種半導(dǎo)體薄片放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其平面與勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(fù)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(shì)差，這個(gè)現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。注意：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(shì)位置不同。（2）霍爾元件的工作原理一個(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PQ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(chǎng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使N側(cè)電勢(shì)高于M側(cè)，在半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)。帶電粒子同時(shí)受到磁場(chǎng)力和電場(chǎng)力作用且方向相反，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，此時(shí)有：Eq=根據(jù)電流的微觀解釋，整理后得U=IBn因?yàn)閐、、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(gè)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?cè)酱?，?yīng)變片的阻值變化越大。如果讓應(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(gè)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(cè)氣體濃度和成分的傳感器。如酒精傳感器，當(dāng)接觸的氣體中乙醇?xì)怏w的濃度增加，它對(duì)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(hào)。應(yīng)用：交警部門執(zhí)法，以制止和處罰“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(huì)出現(xiàn)等量異號(hào)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(diǎn)：只對(duì)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(cè)量，得到振動(dòng)圖像。5．電容式傳感器電容器的電容決定于極板正對(duì)面積、板間距離以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素，如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的變化能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測(cè)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(cè)定角度的電容式傳感器。變化時(shí)，引起極板正對(duì)面積S的變化，使電容C發(fā)生變化。圖乙是測(cè)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(gè)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(shí)，引起正對(duì)面積發(fā)生變化，使電容發(fā)生變化。圖丙是測(cè)定壓力的電容式傳感器，待測(cè)壓力作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)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(cè)定位移的電容式傳感器。隨著電介質(zhì)進(jìn)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)生機(jī)械形變（伸長或縮短）時(shí)，其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化。如圖是一種測(cè)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(dòng)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），通過觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況。將電壓表分別接在b、c之間與c、d之間，當(dāng)油量變化時(shí)，電壓表的示數(shù)變化有何不同？7．各種傳感器的信號(hào)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(shí)際生活中的重要元件之一，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域．如圖所示為一長度一定的霍爾元件，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于霍爾元件的工作面向下，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(fù)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(shì)高于D面的C．如果用該元件測(cè)赤道處地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，應(yīng)保持C、D面豎直D．如果流過霍爾元件的電流大小不變，則元件C、D面的電勢(shì)差與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比【答案】：D【解析】：霍爾元件是能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的傳感器，A錯(cuò)誤；根據(jù)左手定則，帶負(fù)電的電荷向C面偏轉(zhuǎn)，C面帶負(fù)電，D面帶正電，所以D面電勢(shì)高，B錯(cuò)誤；在測(cè)定地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，讓磁場(chǎng)垂直通過元件的工作面，即C、D面保持水平，C錯(cuò)誤；運(yùn)動(dòng)電荷最終在電場(chǎng)力和洛倫茲力的作用下處于平衡是狀態(tài)，設(shè)霍爾元件的長、寬、高分別為a、b、d，則有qUb＝qvB，電流的微觀表達(dá)式為I＝nqvS＝nqvbd，所以U＝BInqd，如果流過霍爾元件的電流大小不變，則元件C、D面的電勢(shì)差與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，D正確。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(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)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(gè)絕緣重球。小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過程中，電流表示數(shù)變化與時(shí)間t的關(guān)系如圖乙所示，下列判斷正確的是（）A．從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)B．從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)C．從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)D．從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)【答案】D【解析】在t1～t2內(nèi)，I變大，阻值變小，壓力變大，小車做變加速運(yùn)動(dòng)，A、B均錯(cuò)。在t2～t3內(nèi)，I不變，壓力不變，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)，D對(duì)。故正確答案為D。例3.如圖所示是一個(gè)測(cè)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(dāng)外電路中的電流變化說明電容值增大時(shí)，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【答案】A【解析】由題意知，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極，當(dāng)液面高度發(fā)生變化時(shí)相當(dāng)于兩極正對(duì)面積發(fā)生變化，會(huì)引起電容的變化。與平行板電容器類比可得，導(dǎo)電液體的深度h增大時(shí)，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體正對(duì)面積增大，電容器的電容值變大。故選項(xiàng)A正確◎鞏固練習(xí)1.在電梯門口放置一障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)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【答案】D【解析】電梯門碰到人或者其他障礙物時(shí)，受到障礙物的作用力，所以電梯門上裝有感知這個(gè)作用力的傳感器即壓力傳感器.2.在一些星級(jí)賓館的洗手間經(jīng)常裝有自動(dòng)于，洗手后將濕手靠近，機(jī)內(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱，有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出，將濕手烘干。手靠近干能使傳感器工作，是因?yàn)椋ǎ〢．改變濕度B．改變溫度C．改變磁場(chǎng)D．改變電容【答案】D【解析】自動(dòng)干是一個(gè)電容器，手是導(dǎo)體，在電容器中放入導(dǎo)體，電容發(fā)生變化，D正確。3.如圖所示，銅板放入垂直向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中（即磁場(chǎng)垂直ABCD平面向里），當(dāng)銅板中有圖示電流流過時(shí)，下列說法正確的是（）A．ABCD面的電勢(shì)高于面的電勢(shì)B．ABCD面的電勢(shì)低于面的電勢(shì)C．面的電勢(shì)高于面的電勢(shì)D．面的電勢(shì)低于面的電勢(shì)【答案】D【解析】銅板的載流子是自由電子，它在洛倫茲力作用下向AA'D4.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(dòng)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(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的面極，在兩極間加一電壓U，人對(duì)著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，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(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容器兩板間的（）A．距離變化B．正對(duì)面積變化C．介質(zhì)變化D．電壓變化【答案】A【解析】對(duì)著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，則金屬層和金屬板間距離改變，即電容器兩極板間距離改變，故導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容器兩極板間的距離變化，故A正確。5．傳感器廣泛應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中，常用的計(jì)算機(jī)鍵盤就是一種傳感器。如圖所示，鍵盤上每一個(gè)鍵的下面都連一小金屬片，與該金屬片隔有一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(gè)小電容器。當(dāng)鍵被按下時(shí)，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(cè)出哪個(gè)鍵被按下，從而給出相應(yīng)的信號(hào)。這種計(jì)算機(jī)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【答案】B【解析】壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電容信號(hào)，B正確。6.如圖甲所示是一個(gè)霍爾元件，是一個(gè)四端元件，其中AC端輸入控制電流，BD端輸出霍爾電壓，可用多用電表的電壓擋來檢測(cè)。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(cè)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，用以輸入控制電流，R的滑動(dòng)端置于中間位置。將條形磁鐵的磁極靠近霍爾元件H，觀察多用電表指針讀數(shù)的變化。保持霍爾元件H與條形磁鐵磁極的相對(duì)位置不變，改變R的大小，再觀察多用電表指針讀數(shù)的變化。由此得出，霍爾電壓與________有關(guān)。【答案】輸入電流【解析】改變R的大小會(huì)觀察到，電流越大，霍爾電壓越大，所以霍爾電壓與AC端輸入電流有關(guān)。7．電動(dòng)自行車速度控制是通過轉(zhuǎn)動(dòng)右把手實(shí)現(xiàn)的，這種轉(zhuǎn)動(dòng)把手稱“霍爾轉(zhuǎn)把”，屬于傳感器非接觸控制。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(shí)，在霍爾器件的上下面之間加一定的電壓，形成電流，如圖（乙）。隨著轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)部的永久磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾器件能輸出控制車速的電壓，已知電壓與車速關(guān)系如圖（丙）。以下關(guān)于“霍爾轉(zhuǎn)把”敘述正確的是（）A．為提高控制的靈敏度，永久磁鐵的上、下端分別為N、S極B．按圖甲順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)車的右把手，車速將變快C．圖乙中從霍爾器件的左右側(cè)面輸出控制車速的霍爾電壓D．若霍爾器件的上下面之間所加電壓正負(fù)極性對(duì)調(diào)，將影響車速控制【答案】B【解析】由于在霍爾器件的上下面之間加一定的電壓，形成電流，當(dāng)永久磁鐵的