高中物理选修3-2
6.1传感器及其工作原理
[学习目标]
1．知道什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；
2．了解传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。 3．理解霍尔电压公式UH?k[重点难点]
1.重点：理解并掌握光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件及各种传感器的应用原理及结构 2.难点：分析并设计传感器的应用电路。 [课前预习] 一、传感器 1．什么是传感器
能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为为电压、电流等电学量，或转转换为电路的通断的这一类元件统称为传感器。传感器是将非电学量转化为电学量的元件，之后可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。 2．传感器的工作原理
传感器主要由敏感元件和转换电路两部分组成。传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过电路放大后，再送给控制系统分析处理产生各种控制动作。传感流程如下图所示：
IB。 d
3.传感器的种类
传感器的种类繁多，按转换用途来分，常见的传感器有：光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等等。 二、常见的传感器元件 1. 干簧管
（1）材料结构：普通干簧管有两个簧片，是用有弹性的软磁性材料制成的，它们密封在玻璃管中，成为一组常开型触点。管中充入惰性气体来防止触点被氧化。
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（2）工作原理：当有磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通；磁体离开干簧管时，两个簧片失去磁性后而断开。如图所示。
（3）功能：在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器。 2. 光敏电阻
（1）材料结构：由受光照敏感的半导体材料制成，如硫化镉。把半导体材料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栅状电极，如图，这样就制成了一个光敏电阻。
（2）工作原理：光敏电阻在被光照射时电阻会发生变化。无光照时，导电性能不好，电阻较大；有光照时，随着光照的增强，导电性变好，电阻减小。
（3）功用：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以感知光线的强弱。光敏电阻对光照灵敏度高，结构稳定，不易损坏，主要应用于光控电路。
3.热敏电阻和金属热电阻 （1）热敏电阻
①材料结构：用半导体材料制成。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。
②特点：热敏电阻的灵敏度较高。在温度上升时，导电能力增强，其电阻随温度变化明显，温度升高，电阻减小。如右图，图线2是某一热敏电阻－温度特性曲线。
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③功能：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。常作温控元件。 （2）金属热电阻
①材料结构：用单质金属材料制成。常用的一种热电阻是用铂制作的。
②特点：单质金属的电阻率随温度的升高而增大，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
③功用：同样可把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。用金属丝可以制作温度传感器（热电阻），比如：用铂制作金属温度计，其测温范围较大。 （3）热敏电阻与金属热电阻的差异 项目 电阻 热敏电阻 材料 导电原理 电阻随温度变化 优点 半导体 自由电子和空穴等载流子 灵敏度较好 金属热电阻 单质金属 自由电子的定向移动 化学稳定性好，测量范围大 4.霍尔元件（又称磁敏元件）
（1）材料结构：由半导体材料制成，如砷化铟。在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就制成为一个霍尔元件。如图所示。 （2）工作原理
①霍尔电压的形成：在如图所示的E、F间，通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则半导体薄片中的截流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，半导体板两侧M、N间会形成稳定的电压，称为霍尔电压UH。
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②霍尔电压的大小：UH?kIB. d其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。
③霍尔电压的推导：
设图中M、N方向的长度为L，在磁感应强度B的方向的半导体板的厚度为d，截流子的电荷量为q，截流子的运动速度为v. 当静电力与洛仑兹力相等时，有q再根据电流的微观式I＝nqv S= nqvdL 得UH?UH?qvB， LIB nqd令k?1，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，它们均为常数，所以有：nqUH?kIB. d（3）功用：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。霍尔元件体积小、精度高、寿命长，广泛应用于压力、加速度、振动、磁感应强度等方面的测量及成像电路中。
三、电容式传感器
电容器的电容决定于极板的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如位移x，深度h、角度θ、压力F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，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称电容式传感器. 1. 电容式位移传感器
(1)结构：在电容器中插入一块可移动的电介质板，电介质板与被测物体相连．如图所示。
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（2）工作原理：
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，从而导致电容器的电容发生改变。如果测出了电容的变化，就能知道物体位移的变化。 （3）功能：电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。 2. 电容式深度传感器
(1)结构：在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电溶液中，导线芯和导电溶液构成电容的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．如图所示。
（2）工作原理：
当液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化。如果知道电容C的变化，就可以知道液面高度h的变化情况。
（3）功能：电容式深度传感器能够把液体深度这个物理量转换为电容这个电学量。 3. 电容式角度传感器
(1)结构：由半圆形金属动片与半圆形金属定片相互绝缘后组成的可变电容器．如图所示。
（2）工作原理：
当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，则电容C发生变化。知道电容C的变化，就可以知道θ的变化情况。
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高中物理选修3-2学案2：6.1 传感器及其工作原理
