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高考物理选修3-2:传感器的工作原理及应用详解

2019-05-01 17:36:50

原标题:高考物理选修3-2:传感器的工作原理及应用详解

传感器

能够感受诸如力,温度,光,声,化学成分等物理量,并能把他们按照一定的规律转化为便于传送和处理的里一个物理量(通常是电流,电压等电学量)或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量,就可以很方便的进行测量,传输,处理和控制了。

传感器原理

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,通常要经过放大后,再送给控制系统产生各种控制动作,传感器原理如图所示。

传感器应用的一般模式

常见传感器的应用

☞:光敏传感器——火灾报警器

1、光敏电阻在被光照射时电阻发生变化,这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。

2、光敏传感器的电阻随光照的增强而减小

光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强。

☞:温度传感器的应用——电熨斗

由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器,它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。

(1)电熨斗的构造:

(2)电熨斗的自动控温原理:其内部装有双金属片温度传感器,如上图所示。

常温下,上、下触点应是接触的,但温度过高时,由于双金属片受热膨胀系数不同,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小.则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源,停止加热。温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的作用。

熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度。这是如何利用调温旋钮来实现的?

常温下,上、下触点应当接触,当温度过高时,双金属片的膨胀系数不同,上层金属的膨胀系数大于下层膨胀系数,上层金属向下弯曲的厉害,从而使上、下触点分离。通过调温旋钮来调节升降螺丝的升降来实现不同温度的设定。如需设定的温度较高,则应使升降螺丝下降;反之,升高。

☞:测定压力的电容式传感器

当待测压力F作用于可动膜片电极上时,可使膜片产生形变,从而引起电容的变化,如果将电容器与灵敏电流计、电源串联,组成闭合电路,当F向上压膜片电极时,电容器的电容将增大。电流计有示数,则压力F发生了变化(如图所示)

相比而言,金属热电阻化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好。

☞:力传感器的应用——电子秤

(1)组成:由金属架和应变片组成

(2)电子秤的工作原理: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,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,下表面的电阻变小.F越大,弯曲形变越大,应变片的阻值变化就越大,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。

☞:声传感器的应用——话筒

(1)动圈式话筒的原理:

话筒是把声音转变为电信号的装置。下图是动圈式话筒的构造原理图,它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时,连接在膜片上的线圈(叫做音圈)随着一起振动。下图话筒的原理图音圈在永磁铁的磁场里振动,其中就产生感应电流(电信号)。感应电流的大小和方向都变化,振幅和频率的变化由声波决定.这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器,从扬声器中就发出放大的声音。

(2)电容式话筒的原理:

如图所示,Q是绝缘支架,薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器,被直流电源充电。当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流,于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。其优点是保真度好。

(3)驻极体话筒:

①极化现象:将电介质放入电场中,在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象。

②驻极体:某些电介质在电场中被极化后.去掉外加电场,仍然会保持被极化的状态,这种材料称为驻极体。

③原理:同电容式话筒.只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。

④特点:体积小.重量轻,价格便宜,灵敏度高.工作电压低,只需3~6V

☞:霍耳元件

1、如图所示,厚度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当恒定电流I通过导体板时,导体板的左右侧面出现电势差,这种现象称为霍耳效应.在这个矩形半导体上制作四个电极EFMN就成为一个霍耳元件,能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

2、霍耳电压

①其中k为比例系数,称为霍耳系数,其大小与薄片的材料有关。

②一个霍耳元件的d、k为定值,再保持I恒定,则的变化就与B成正比,因此霍耳元件,又称磁敏元件。

3、工作原理

霍耳元件就是利用霍耳效应来设计的。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EF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,设薄片厚度为d,EF方向长度为l1,MN方向为l2。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,造成半导体内部出现电场,带电粒子同时受到电场力作用。当磁场力与电场力平衡时,MN间电势差达到恒定。

再根据电流的微观解释

整体得:

令其中n为材料单位体积的带电粒子个数,q为单个带电粒子的电荷量。

则有

可见,U与B成正比这就是为什么霍耳元件能把磁学量转换成电学量的原因。

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