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        传感器原理及应用-霍尔效应的原理与应用-热敏电阻和金属热电阻的区别详细信息
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        传感器原理及应用 第1节 传感器及其工作原理
        宾馆饭店有一种自动门,使用自动门,可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘,同时可以使我们的出入口显得庄重高档,当有人靠近时,门会实现自动开启,碰到障碍物时门会自动反弹,并迅速打开,避免夹人事件和机组损坏现象发生。那自动门是如何实现自动控制的?

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        知识全解·吃透教材
        知识点1 传感器
        1.:现代技术中,我们可以利用一些元件设计电路,它能够感受诸如力、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。我们把这种元件叫做传感器。传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断,从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。

        2.优点是:把非电学量转换为电学量以后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
        3. 传感器的组成结构:传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。
        4. 传感器各部分的作用:
        1)、敏感元件是指能直接感受(或响应)被测量的部分,即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。
        2)、转换元件则将上述非电量转换成电参量。
        3)、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量,以便进行显示、记录、控制和处理的部分。
        补例题
        【例1】下列说法正确的是( )

          1. 传感器担负着信息采集的任务
          2. 干簧管是一种磁传感器
          3. 传感器不是电视摇控接收器的主要元件
          4. 传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
        分析:传感器担负着信息采集的任务,干簧管是一种磁敏的特殊开关,传感器是把非电学量转换为电学量的元件,它使得某些非电学量容易测量或者能实现电路的自动通断. 

        答案:ABD
        知识点2 光敏电阻

        1. 光敏电阻:光敏电阻的材料是一种半导体,无光照射时,载流子极少,导电性能能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性能变好,即光敏电阻值随光照增强而减小。光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。
        2. 应用:光敏管(光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等)属于半导体器件。

        例题
        【例2】如图所示,R1、R2为定值电阻,L是小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时,( )
        A.电压表的示数增大
        B.R2中电流减小
        C.小灯泡的功率增大
        D.电路的路端电压增大
        分析:当照射光强度增大时,R3减小,整个电路中的总电阻变小,总电流变大,电压表示数增大,而路端电压减小,R2上的电压变小,通过R2的电流减小,流过小灯泡的电流增大.
        答案:ABC
        知识点3 热敏电阻和金属热电阻
        1.热敏电阻:用半导体材料制成,其电阻随温度变化明显,温度升高电阻减小,热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差,测量范围较小。
        .应用:用来测量温度及实现温度的自动控制。
        2.金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作温度传感器。金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大。
        热敏电阻或金属热电阻都能够将热学量转化为电阻这个电学量。
        应用:测量温度。
        3. 热敏电阻和金属热电阻的区别:
        热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换成电学量(电阻),但热敏电阻的灵敏度较好。特别提醒:热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小,对正温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而增大,而负温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而减小。  
        【例3】有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法中正确的是(    )
        A. 置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是热敏电阻
        B. 置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化,这只元件一定是定值电阻
        C. 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是光敏电阻
        D. 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表示数相同,这只元件一定是定值电阻

        分析:热敏电阻的阻值随温度变化而变化,定值电阻和光敏电阻不随温度变化;光敏电阻的阻值随光照变化而变化,定值电阻和热敏电阻不随之变化。
        答案:AC
        点评:(1)热敏电阻的阻值随温度的变化而变化.阻值随温度的升高而增大的我们称之为正温度系数热敏电阻(PTC).阻值随温度的升高而减小的我们称之为负温度系数热敏电阻(NTC).(2)欧姆表的表盘刻度最右侧为0Ω,最左侧为最大值.
        知识点2 霍尔元件
        霍尔元件:如图所示,在一个很小的矩形半导体薄片上,制作四个电极C、D、E、F,就制成为一个霍尔元件。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。
        霍尔电压: 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B成正比,因此,霍尔元件又称磁敏元件。
        霍尔效应的原理:外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力,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,从而形成横向的电场;横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力,当静电力与洛仑兹力达到平衡时,导体板两侧会形成稳定的电压.
        设图中CD方向长度为L2,则:
        根据电流的微观解释 I=nqsv ,
        整理后,得: ,因为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,它们均为常数,所以有:
        【例4】如图所示,厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时电势差U,电流IB的关系为U=k 式中的比例系数k称为霍尔系数。

        霍尔效应可解释如下:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧出现多余的正电荷,从而形成横向电场,横向电场对电子施加与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,导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。
        设电流I是由电子定向流动形成的,电子的平均定向速度为v,电量为e,回答下列问题:
        (1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势       下侧面A的电势(填高于、低于或等于)。
        (2)电子所受的洛伦兹力的大小为          。 
        (3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所受的静电力的大小为      
        (4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系数k=,其中n代表导体板单位体积中电子的个数。
        解析:(1)首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,电流是电子的定向运动形成的,电流方向从左到右,电子运动的方向从右到左。根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上,电子向A板聚集,A¹板出现多余的正电荷,所以A板电势低于A¹板电势,应填“低于”。
        (2)电子所受洛仑兹力的大小为
        (3)横向电场可认为是匀强电场,电场强度,电子所受电场力的大小为
        (4)电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用,由两力平衡有eevB   可得U=h v B通过导体的电流强度微观表达式为   
        由题目给出的霍尔效应公式 ,有  
        点评:(1)判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷。
        (2)由以上计算得上、下两表面间的电压稳定时,其中n为单位体积内的自由电荷数,e为电子电荷量,对固定的材料而言为定值,若令,则,此即课本给出的公式。

        揭示规律·小试身手
        方法点拨:光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号,热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号。转换后的信号经过电子电路就可以达到自动控制、遥控等各种目的。
        补知识点1变式训练
        1、干簧管结构:它只是玻璃管内封入的的两个_______制成的簧片.
        作用:在电路中起到_______的作用,它是一种能够_______的传感器.
        1、软磁性材料,开关,感知磁场。分析:干簧管是一种磁敏的特殊开关,也称干簧继电器。它通常由两个或三个软磁性材料做成的簧片触点,被封装在充有惰性气体(如氮、氦等)或真空的玻璃管里,玻璃管内平行封装的簧片端部重叠,并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭触点。
        干簧管比一般机械开关结构简单、体积小、速度高、工作寿命长;而与电子开关相比,它又有抗负载冲击能力强等特点,工作可靠性很高。
        补知识点2 光敏电阻方法点拨光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时,半导体片(光敏层)内就激发出电子—空穴对,参与导电,使电路中电流增强。
        变式训练
        2.关于光敏电阻,下列说法正确的是( )
        A.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
        B.硫化镉是一种半导体材料,无光照射时,载流子极少,导电性能不好
        C.硫化镉是一种半导体材料,无光照射时,载流子较少,导电性能良好
        D.半导体材料的硫化镉,随着光照的增强,载流子增多,导电性能变好
        2、ABD。解析:光敏电阻是将光信号与电信号进行转换的传感器,这些制作材料具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电,在外加电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
        热敏电阻和金属热电阻方法点拨热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差,测量范围较小;金属热电阻的化学稳定性较好,测量范围较大,但灵敏度较差。
        变式训练
        3、如图所示,将万用表的选择开关置于“欧姆档”,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中间.若往Rt上擦一些酒精,表针将向____(填“左”或“右”移动);若用吹风机将热风吹向电阻,表针将向____(填“左”或“右”移动).

        3左 右;解析:若往Rt上擦一些酒精,由于酒精蒸发吸热,热敏电阻Rt温度降低,电阻值增大,所以电流减少,指针应该向左偏;用吹风机将热风吹向电阻,电阻Rt温度升高,电阻值减少,电流增大,指针向右偏

         

         

        方法点拨:一个霍尔元件的厚度dk为定值,若保持I恒定,则UH的变化就与B成正比。也就是说: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。因此,我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中,通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。

        变式训练
        4、如图所示,有电流I流过长方体金属块,金属块宽度为d,高为b,有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,试问金属块上、下表面哪面电势高?电势差是多少?(此题描述的是着名的霍尔效应现象)

        4下表面电势高 电势差为
        解析:因为自由电荷为电子,故由左手定则可判断电子向上偏,则上表面聚集负电荷,下表面带多余的正电荷,故下表面电势高,设其稳定电压为U。
        当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时,即q=qvB
        又因为导体中的电流I=neSv=nev·bd
        故U=

         

         

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