2024-2025學(xué)年高中物理第六章傳感器知識要點歸納學(xué)案新人教版選修3-2

PAGEPAGE1第六章傳感器學(xué)問要點歸納要點一、傳感器1．現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們依據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量以后，就可以很便利地進(jìn)行測量、傳輸、處理和限制了。2．傳感器原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是特別微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給限制系統(tǒng)產(chǎn)生各種限制動作。傳感器原理如下圖所示。3．傳感器的分類常用傳感器是利用某些物理、化學(xué)或生物效應(yīng)進(jìn)行工作的。依據(jù)測量目的不同，可將傳感器分為物理型、化學(xué)型和生物型三類。物理型傳感器是利用被測量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)（如電阻、電壓、電容、磁場等）發(fā)生明顯變更的特性制成的，如光電傳感器、力學(xué)傳感器等?；瘜W(xué)型傳感器是利用能把化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等化學(xué)量轉(zhuǎn)換成為電學(xué)量的敏感元件制成的。生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的，用以檢測與識別生物體內(nèi)化學(xué)成分的傳感器，生物或生物物質(zhì)主要是指各種酶、微生物、抗體等，分別對應(yīng)酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器等等。要點二、光敏電阻光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻大小這個電學(xué)量，一般隨光照的增加電阻值減小。要點詮釋：光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，硫化鎘在無光時，載流子（導(dǎo)電電荷）極少，導(dǎo)電性能不好，隨著光照的增加，載流子增多，導(dǎo)電性能變好。要點三、熱敏電阻和金屬熱電阻1．熱敏電阻熱敏電阻用半導(dǎo)體材料制成，其電阻值隨溫度變更明顯。如圖為某一熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。要點詮釋：（1）在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)（）熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)（）熱敏電阻器。（2）熱敏電阻器的應(yīng)用特別廣泛，主要應(yīng)用于：①利用電阻—溫度特性來測量溫度、限制溫度和元件、器件、電路的溫度補(bǔ)償。②利用非線性特性完成穩(wěn)壓、限幅、開關(guān)、過流愛護(hù)作用。③利用不同媒質(zhì)中熱耗散特性的差異測量流量、流速、液面、熱導(dǎo)、真空度等。④利用熱慣性作為時間延時器。2．金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的上升而增大，這樣的金屬也可以制作溫度傳感器，稱為金屬熱電阻。要點詮釋：熱敏電阻或金屬熱電阻都能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，但相比而言，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較高。要點四、電容式傳感器霍爾元件1．電容式傳感器電容器的電容確定于極板正對面積、板間距離以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素，假如某一物理量（如角度、位移、深度等）的變更能引起上述某個因素的變更，從而引起電容的變更，那么，通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變更，作這種用途的電容器稱為電容式傳感器。如圖甲所示是用來測定角度的電容式傳感器。當(dāng)動片和定片之間的角度發(fā)生變更時，引起極板正對面積的變更，使電容發(fā)生變更，知道的變更，就可以知道的變更狀況。如圖乙所示是測定液面高度的電容式傳感器。在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中。導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)。液面高度發(fā)生變更時，引起正對面積發(fā)生變更，使電容發(fā)生變更。知道的變更，就可以知道的變更狀況。如圖丙所示是測定壓力，的電容式傳感器，待測壓力作用于可動膜片電極上的時候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離發(fā)生變更，引起電容的變更。知道的變更，就可以知道的變更狀況。如圖丁所示是測定位移的電容式傳感器。隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度發(fā)生變更，電容發(fā)生變更。知道的變更，就可以知道的變更狀況。2．霍爾元件（1）．如圖所示，在一個很小的矩形導(dǎo)體（例如砷化銦）薄片上，制作四個電極，就成為一個霍爾元件?；魻栐軌虬汛鸥袘?yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。（2）．霍爾電壓，其中為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān)。（3）．霍爾元件的工作原理霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)來設(shè)計的。一個矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極，如圖所示，沿方向通入電流，，垂直于薄片加勻強(qiáng)磁場，則在間會出現(xiàn)電勢差，設(shè)薄片厚度為，方向長度為，MN方向長度為，薄片中的帶電粒子受到磁場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使側(cè)電勢高于側(cè)，造成半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場。帶電粒子同時受到磁場力和電場力作用，當(dāng)磁場力與電場力平衡時，間電勢差達(dá)到恒定，此時有。依據(jù)電流的微觀說明，整理后得。令，因為為材料單位體積內(nèi)的帶電粒子個數(shù)，為單個帶電粒子的電荷量，它們均為常數(shù)，所以。與成正比，這就是霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的緣由。要點五、力傳感器1．應(yīng)變式力傳感器（1）組成：由金屬梁和應(yīng)變片組成。（2）工作原理：如圖所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，左梁的自由端施力，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面電阻變小。越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變更越大。假如讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。外力越大，輸出的電壓差值也就越大。2．測定壓力的電容式傳感器如圖所示，當(dāng)待測壓力作用于可動膜片電極上時，可使膜片產(chǎn)生形變，從而引起電容的變更，假如將電容器與靈敏電流表、電源串聯(lián)，組成閉合電路，當(dāng)向上壓膜片電極時，電容器的電容將增大，電流表有示數(shù)。要點六、聲傳感器的應(yīng)用——話筒1．話筒的作用把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號。2．電容式話筒（1）原理：如圖所示，是絕緣支架，薄金屬膜和固定電極形成一個電容器，被直流電源充電。當(dāng)聲波使膜片振動時，電容發(fā)生變更，電路中形成變更的電流，于是電阻兩端就輸出了與聲音變更規(guī)律相同的電壓。（2）優(yōu)點：保真度好。3．駐極體話筒（1）極化現(xiàn)象：將電介質(zhì)放人電場中，在前后兩個表面上會分別出現(xiàn)正電荷與負(fù)電荷的現(xiàn)象。（2）駐極體：某些電介質(zhì)在電場中被極化后，去掉外加電場，仍舊會長期保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為駐極體。（3）原理：同電容式話筒，只是內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑料薄膜。（4）特點：體積小，重量輕，價格便宜，靈敏度高，工作電壓低。要點七、溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗1．溫度傳感器：由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把熱信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行自動限制。2．電熨斗的構(gòu)造如圖所示。3．電熨斗的自動控溫原理內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖所示，其作用是限制電路的通斷。常溫下，上、下觸頭應(yīng)是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，雙金屬片向下彎曲，使觸點分別，從而切斷電源，停止加熱。溫度降低后，雙金屬片復(fù)原原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動限制溫度的作用。留意：熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物須要設(shè)定不同的溫度，此時可通過調(diào)溫旋鈕調(diào)整升降螺絲，升降螺絲帶動彈性銅片升降，從而變更觸點接觸的難易，達(dá)到限制在不同溫度的目的。4．傳感器應(yīng)用的一般模式5．動圈式話筒的工作原理