普通高中物理选择性必修二 第五章第2节 常见传感器的工作原理及应用

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• 普通高中物理选择性必修二 第五章第2节 常见传感器的工作原理及应用
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第二册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
• 光敏电阻
• 光敏电阻
  • 光电传感器中 常见的光敏元件
    • 作用
      • 能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量。
    • 结构
      • 把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极，就制成了一个光敏电阻。
        • 硫化镉表面受到的光照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样。
    • 原理
      • 硫化镉是一种半导体材料，电阻率与所受光照的强度有关。无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
        • 光敏电阻在被不同强度的光照射时电阻发生变化。
  • 实验观察 光敏电阻的特性
    • 器材
      • 多用电表、光敏电阻、普通电阻
    • 步骤
      • 多用电表的选择开关置于倍率为´100的电阻挡
      • 将光敏电阻接到多用电表的两端
        • 观察在室内自然光的照射下，电阻约有多大？
        • 用手掌遮光时电阻又是多少？
        • 用阳光直接照射时，电阻又是多少？
      • 换用一只普通的电阻，小心地把它表面的漆层除去一些，使里面的导电膜露出来接受光照，重做以上实验，观察结果。
  • 应用：光电计数
    • • A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。
      • 传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号
        • 光敏电阻的阻值较小，供给信号处理系统的电压变低。
      • 传送带上有物品挡住由A射向B的光信号
        • 光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变高。
      • 高低交替变化的信号经过处理，会转化为相应的数字，实现自动读数的功能。
• 金属热电阻和热敏电阻
• 感知温度的敏感元件
  • 金属热电阻
    • 金属的电阻率随温度的升高而增大。
    • 用金属丝制作温度传感器，称为热电阻。
    • 常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。
  • 热敏电阻
    • 有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。
      • 有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
  • 与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
• 金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
  • 实验观察 热敏电阻特性
    • 步骤
      • 将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然后将热敏电阻连接到多用电表的两端。
      • 分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻的变化情况。
  • 应用 热敏电阻检测油箱的警戒液位
    • 当液面高于热敏电阻的高度时
      • 给热敏电阻通以一定的电流，它就会发热。
      • 热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。
    • 当液体减少，热敏电阻露出液面时
      • 发热导致热敏电阻温度上升，阻值较小，指示灯亮。
    • 通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。
• 电阻应变片
• 电阻应变片
  • 金属 电阻应变片
    • 原理
      • 金属的电阻应变效应：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的现象。
      • 当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力时，长度变短、横截面积变大，导致电阻变小。
  • 半导体 电阻应变片
    • 原理
      • 半导体材料的压阻效应。
  • 电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。是一种使用非常广泛的力敏元件。
• 力传感器
  • 应变式 力传感器
    • 结构
      • 由金属梁和电阻应变片组成。
      • 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。
    • 原理
      • 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，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。
      • 如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小。
      • 传感器把上下表面两个电压的差值输出，力F越大，输出的电压差值也就越大。
    • 应用
      • 应变式力传感器也可以用来测量其他各种力，如汽车和卷扬机的牵引力等。
      • 力传感器也可以测量重力，可以作为常见电子秤的测力器件。
• 传感器
  • 电阻式传感器
    • 工作共性
      • 通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。
    • 常见类型
      • 光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等。
  • 电容式传感器
    • 工作共性
      • 电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个要素。
      • 如果某个物体量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，通过测量电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成电容式式传感器。
    • 思考讨论
      • 电容式位移传感器：当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。
      • 如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化.
        • 如何检测电容的变化？
      • 电容式传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
• 拓展学习 霍尔元件
  • 霍尔元件是一种重要的磁敏元件，它根据霍尔效应原理制成。
  • 霍尔效应
    • 1879年，美国物理学家霍尔观察到霍尔效应现象。
    • 在匀强磁场中放置一块矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下，向着与电流、磁场都垂直的方向漂移，继而在该方向上出现了电势差，这个现象称为霍尔效应。
    • 霍尔效应产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。
  • 霍尔元件
    • 除导体外，半导体也能产生霍尔效应。半导体的霍尔效应要强于导体。
    • 在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上制作四个电极，它就成了一个霍尔元件。
    • 在电极E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则在电极M、N间可出现霍尔电压UH。
    • 通过分析可知，霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系，因此，利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。
  • 霍尔元件的应用
    • 霍尔元件除了可以检测磁场及其变化，还可以在各种与磁场有关的场合中使用。
    • 利用霍尔元件进行微小位移的测量
      • 在两块磁感应强度相同、同极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，霍尔电压UH为0，可将该点作为位移的零点。
      • 当霍尔元件沿着±z方向移动时，则有霍尔电压输出，且电压大小与位移大小成正比，从而能够实现微小位移的测量。
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