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二、 传感器、敏感元件的分类
知识精要 1.传感器的分类 常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。 根据检测量的不同,可将传感器分为物理型、化学型和生物型三 类。 (1)物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质(如电阻、 电压、电容、电场、磁场等)发生明显变化的特性制成的,如光电传 感器、力电传感器等。 (2)化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量 转换为电学量的敏感元件制成的。 (3)生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性制成的,用 以检测或识别生物体内化学成分的传感器,生物或生物物质主要是 指各种酶、微生物、抗体等,分别对应酶传感器、微生物传感器、 免疫传感器等。
U2 P= 知 ,其发热功率 R
ห้องสมุดไป่ตู้
迁移应用 (多选题 )如图为电阻 R 随温度 T 变化的图线,下列说法中正确 的是( )
A.图线 1 是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的 B.图线 2 是热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的 C.图线 1 的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D.图线 2 的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高 解析 :热敏电阻是由半导体材料制成的,其稳定性差,测温范围 小 ,但灵敏度高,其电阻随着温度的升高而减小。金属电阻阻值随温 度的升高而增大,图线 1 是金属电阻,图线 2 是热敏电阻。 答案:BD
思考探究 半导体电阻与金属电阻的电阻率有何区别?热敏电阻的伏安特 性曲线与金属电阻的伏安特性曲线有何区别? 答案 :半导体材料的导电机理与金属不同,其电阻率受多种因素 的影响,如光照、压力、温度等,且电阻率对这些环境因素特别敏 感。金属电阻的电阻率对这些因素不敏感。热敏电阻对温度敏感, 随温度升高其电阻率明显变化,所以热敏电阻的伏安特性曲线是一 条弯曲程度较大的曲线,而金属电阻的伏安特性曲线接近直线。
预习交流 1 现今 ,无人机已进入实用阶段,你猜想无人机上应该有哪些传感 器?
答案:无人机上应该有能感知速度、加速度、角速度、距离、 力、光照等物理量的传感器。
2.干簧管结构 如图,它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。
作用: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。 3.光敏电阻 (1)特点:光照越强,电阻越小。 (2)原因:无光照时,载流子少,导电性能不好; 随着光照的增强,载 流子增多,导电性变好。 (3)作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 4.热敏电阻 (1)特点:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,正温度系数的热 敏电阻的阻值随温度的升高而增大 ,负温度系数的热敏电阻的阻值 随温度的升高而减小。 (2)作用:把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
解析 :(1)因为霍尔电压 UH=k· ,所以在磁场及元件厚度不变的 情况下,霍尔电压只与电流 I 成正比,即霍尔电压与电流的强弱有 关。 (2)离扬声器越近的区域,电势差越大 ,表示该区域磁场较强;离 扬声器越远的区域,电势差越小,表示该区域磁场较弱。 (3)当磁场检测器移动到某一位置,调整方位 ,如果这时的霍尔电 压最大,则该处磁感线的方向与霍尔元件的工作面垂直,因为霍尔电 压与磁感应强度成正比。 答案:见解析
(1)为什么原处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普通电熨斗升温 快? (2)通电一段时间后,电熨斗温度 t 自动地稳定在 ~ (用图中数据表示)范围之内。
解析 :(1)由于冷态时 PTC 材料电阻较小 ,由
较大 ,所以升温快。 (2)从题图可看出 ,温度较低时 ,电阻较小 ,热功率较大 ,所以发热 大于散热 ,温度升高。电阻值迅速增大,相应发热功率减小。当发热 功率小于散热功率时,电阻温度降低 ,电阻值减小 ,发热功率会相应增 大 ,故当发热功率等于散热功率时,温度会稳定在图中 T6~T7 温度范 围内。 答案:(1)见解析 (2)T6 T7
甲
保持霍尔元件 H 与条形磁铁磁极的相对位置不变,改变 R 的大 小,再观察多用电表指针读数的变化。 由此得出,霍尔电压与 有关。 (2)使用这个简易检测装置,检测图乙收音机扬声器附近的磁场 分布情况。
乙
检测的结果是 。 (3)怎样用霍尔元件制成的磁场检测器来粗略检测磁场中某处 磁感线的方向 ?说出你的判断依据。
规律方法:霍尔元件 知识链接 (1)霍尔元件:
如图所示,在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上 ,制作 四个电极 E、F、M、N,它就成为一个霍尔元件。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。 (2)霍尔电压 ①其中 d 为薄片的厚度,k 为霍尔系数,其大小与薄片的材料有 关。 ②一个霍尔元件的厚度 d、霍尔系数 k 为定值,再保持 I 恒定 , 则 UH 的变化就与 B 成正比,因此霍尔元件又称磁敏元件。
1
传感器及其工作原理
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1.能说出传感器的概念。 2.知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻以及霍 学习目标 尔元件。 3.掌握传感器的工作原理。 重点:掌握传感器的工作原理。 重点难点 难点:光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻以及霍尔元件 的性质。
激趣诱思
随着“神舟”八号飞船的顺利升空,并接连进行了与 “天宫”一号 的完美对接,我国首次交会对接任务圆满完成,意味着继美、俄之后, 我国成为第三个独立掌握交会对接技术的国家,为我国今后开展更 大规模的空间探索奠定扎实的技术基础。同时“神舟”八号飞船上 的两个特殊乘客也引起了媒体的热议。据航天员系统副总设计师 王宪民介绍,不载人的 “神舟”八号上载有两个形体假人随之上天。 模拟航天员绑在飞船内,已开始按程序发出拟人生理信号。你知道 模拟航天员是怎样进行工作的吗?
简答 :“神舟 ”八号所载的形体假人不具有自动行动的功能 ,但假 人身上装了很多传感器 ,可以测控 “神舟 ”八号飞船舱内的空气成 分、温度、湿度等的变化。
预习导引
1.传感器 (1)定义: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电压、电流等电学量 ,或转换 为电路的通断的元件。 (2)传感器的原理: 非电学量 传感器(敏感元件、转换器件、转换电路) 电 学量 (3)敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受被测量量,并将其 变换成与被测量量成一定关系的易于测量的物理量,如温度、位移 等。 (4)转换元件:也称为传感元件,通常不直接感受被测量,而是将 敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。 (5)转换电路:是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电 学量,如电压、电流等。
迁移应用 (多选题)下列说法正确的是( ) A.传感器担负着信息采集的任务 B.干簧管是一种能够感知磁场的传感器 C.传感器不是电视遥控接收器的主要元件 D.传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的 主要工具 解析 :传感器的任务就是采集信息,选项 A 正确 ;干簧管的主要 构造是由平时不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的,它们靠近 磁场时被磁化后相互吸引而接触,选项 B 正确;电视遥控接收器中使 用了红外线传感器,选项 C 错误 ;由传感器的定义知,选项 D 正确。 答案:ABD
2.光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特性成因对比 元件 光敏 电阻 热敏 电阻 霍尔 元件 产生变化的原因 半导体材料受到的光照增强时,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,即载流子数增多, 于是导电性明显地增强,电阻减小 对于负温度系数的热敏电阻,温度升高时,有更多的电子 获得能量成为自由电子,同时空穴增多,即载流子数增多, 于是导电性明显地增强,电阻减小 霍尔元件两极间通入恒定的电流 ,同时外加与薄片垂直的 磁场 B 时,薄片中的载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,在另两极上形成电压
d
IB
1.如图所示是一自动控制电路示意图,R1 为光敏电阻,当照射到 R1 处的光消失时,电流表中的电流 I 及 ab 间的电压 U 的变化情况是 ( )
A.I 变大,U 变小 B.I 变大,U 变大 C.I 变小,U 变大 D.I 变小,U 变小 解析:当照射到光敏电阻上的光消失时,光敏电阻阻值增大,通过的电 流变小,通过 R2 的电流增大,电流表中电流 I 变大。由光敏电阻阻值 增大可知电源的输出电流减小,ab 之间的电压 U 增大,故正确答案 为 B。 答案:B
IB UH=k : d
(3)霍尔效应的原理: 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力,在导体板的一侧聚集, 在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场;横 向电场对电子施加于洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦 兹力达到平衡时,导体板左右两侧会形成稳定的电压,设图中 MN 方 向长度为 l 2,则
思考探究 在日常生活中,哪些用具可以实现不同物理量之间的转换? 答案 :话筒可以将声音转化为变化的电流;在超市买到商品后, 将商品放在电子秤上,可将压力转化为电压;电熨斗加热到一定温度 后,自动停止工作,可将温度转化为电路的通断。
典题例解 【例 1】 关于传感器的下列说法正确的是( ) A.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的 B.金属材料也可以制成传感器 C.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的 D.以上说法都不正确 解析 :半导体材料可以制成传感器,其他材料也可以制成传感器, 如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计,所以选项 A 错误,选项 B 正确。传感器不但能感知电压的变化,还能感受力、温度、光、 声、化学成分等非电学量,所以选项 C 错误。 答案:B
典题例解 【例 2】 一般的电熨斗用合金丝作发热元件,合金丝电阻随温 度 t 变化的关系如图中实线①所示。由于环境温度以及熨烫的衣物 厚度、干湿等情况不同,熨斗的散热功率不同 ,因而熨斗的温度可能 会在较大范围内波动,易损坏衣物。有一种用主要成分为 BaTiO3(被称为 PTC)的特殊材料作发热元件的电熨斗 ,具有升温 快、能自动控制温度的特点。PTC 材料的电阻随温度变化的关系 如图中实线②所示 ,根据图线分析:
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(3)作用:把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
