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第五章 传感器
人教物理选择性必修第二册
第四章 电磁振荡与电磁波
5.2
常见传感器的工作原理及应用
一 光敏电阻
有一些物质，例如硫化镉，电阻率与所受光照的强度有关。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，这样就制成了一个光敏电阻(图5.2-1)。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。光敏电阻是光电传感器中常见的光敏元件。
观察光敏电阻特性
将一只光敏电阻接到多用电表的两端，选择开关置于倍率为×100 的电阻挡(图5.2-2)。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 用阳光直接照射呢
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上述实验，结果相同吗
(1) 光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小；
实验结论：
(2) 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。
光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，原因是：硫化镉是一种半导体材料，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。
硫化镉
光强——电阻率小
光弱——电阻率大
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。
光敏电阳有许多应用。例如，在产品生产的流水线上常需要对产品计数。
图5.2-3是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中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。
当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小，供给信号处理系统的电压变低，当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变高。
这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。
无物品、有光照、电阻小、电压低
有物品、挡光、电阻大、电压高
二 金属热电阻和热敏电阻
除了光照以外，温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。金属热电阻和热敏电阻就是传感器中常见的感知温度的敏感元件。
金属的电阻率随温度的升高而增大(图5.2-4中的图线1)。用金属丝可以制作温度传感器，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。
与金属不同，有些半导体在温度上升时导电能力增强(图5.2-4中的图线2)，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。
观察热敏电阻特性
将多用电表的选择开关调到电阻挡 (注意选择适当的倍率)，然后仿照图5.2-2所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。
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。
实验现象
热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大。
温度升高，热敏电阻的阻值显著减小。
实验结论
利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系，除了可用来测量温度，还可以有其他用处。如图5.2-5所示，一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。
当液面高于热敏电阻的高度时，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 (图5.2-5甲)。当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮 (图5.2-5乙)。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。
三 电阻应变片
电阻应变片 (图5.2-6) 是一种使用非常广泛的力敏元件。
我们知道，电阻与导体的材料、长度和横截面积有关。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。
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，称为金属的电阻应变效应。
金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。
除了金属电阻应变片外，常用的电阻应变片还有半导体电阻应变片，它的工作原理是基于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。
我们经常见到的电子秤，它所使用的测力器件是力传感器。常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的，其结构如图5.2-7所示，称为应变式力传感器。
这种力传感器的工作原理如图5.2-8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。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大。
力传感器除了可以测量重力外 (图5.2-9)，应变式力传感器也用来测量其他各种力，如汽车和卷扬机的牵引力等。
通过前面的学习可以知道，光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。与之类似，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因素。
如果某个物理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，通过测定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传感器。
电容式传感器有非常广泛的应用。
如图 5.2-10所示，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。用什么方法可以检测电容的变化
电容式位移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。
解：使电容器带上一定的电荷量，然后用静电计检测两极板间电势差的变化可判断电容的变化.
霍尔元件
除了之前我们接触的干簧管以外，霍尔元件也是一种重要的磁敏元件，它根据霍尔效应原理制成。
1879年，美国物理学家霍尔观察到，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(图5.2-11)。
后来大家把这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。
除导体外，半导体也能产生霍尔效应，而且半导体的霍尔效应要强于导体。在一个很小的矩形半导体(如砷化锢)薄片上制作四个电极，它就成了一个霍尔元件(图5.2-12甲)。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 (图5.2-12乙)。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。图5.2-13就是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 U 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。
1.按照你对以下几种传感器的理解，填写下面的表格。
传感器名称 输入的物理量 输出的物理量
光敏电阻 光照强度 电阻
热敏电阻 温度 电阻
金属热电阻 温度 电阻
电阻应变片 物体形变 电阻
电容式位移传感器 位移 电容
2. 图5.2-14是一种电感式微小位移传感器的原理图。1是待测位移的物体，3是空心线圈，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中左右平移。这种传感器可以把被测物体位移的大小转换为线圈自感系数的大小，请定性说明它的工作原理，并尝试设计与线圈3相连的电路。
解：题图中，物体1左右平移使软铁芯2插入线圈中的长度发生变化，线圈3的自感系数大小随之变化，据此可以测出物体1的位移变化情况.
这种装置把位移转换成了自感系数这个电学量. 相连的测量显示电路可设计为如图所示，G为频率一定的正弦交流信号源，将上述传感器的线圈工与交流电流表A串联后再与信号源连接. 线圈自感系数的变化将使它的感生电动势发生变化，从而引起电路中电流的变化，由电流表A显示出来.
3. 电饭锅中应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，其特点是：常温下感温铁氧体具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约 103 ℃ 时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”。电饭锅的结构如图5.2-15所示，请结合温度传感器的特点回答以下问题：
(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮 手松开后这个按钮是否会恢复到图示状态 为什么
解：煮饭时压下开关按钮，感温铁氧体与永磁体吸在一起，两个触点接触，电源接通，电热板加热，开始煮饭. 压下开关按钮，手松开后，按钮不会恢复到图示状态，因为在常温下感温铁氧体是有铁磁性的，与永磁体吸住后不会分开.
(2)煮饭时水沸腾后锅内还有一定水分时为什么锅的温度会保持100℃而不会持续升高
解：因为水在沸腾时温度保持不变，所以煮饭时锅内还有一定水分时，水沸腾后锅内温度会大致保持在水的沸腾温度，只要水不干，其温度就大致不变.
(3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化 这时电饭锅会自动地发生哪些动作
解：饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度会升高到水的沸点以上. 当温度升高到约 103℃ 时，感温铁氧体会失去铁磁性，永磁体会在弹簧弹力作用下被弹开，使两触点分离，电热板停止加热.
(4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电
解：用电饭锅烧水，水沸腾后不能自动断电，因为标准大气压下水沸腾的温度为100℃，不会达到感温铁氧体的“居里点”(103℃)，也就不能使永磁铁弹开、电饭锅自动断电.
结束
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