14.6传感器-2024年高考物理一轮复习100考点100讲

2024年高考一轮复习100考点100讲 第14章 交变电流、传感器、电磁波 第14.6讲 传感器 【知识点精讲】 1. 传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的装置。 2．传感器的种类 (1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。 (2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。 (3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。 3．传感器的组成与应用模式 (1)传感器的基本组成部分 ①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。 【特别提醒】敏感元件相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏，湿敏等)制成的。 ②转换元件：传感器中能将敏感元件输出且与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。 ③转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等。 (2)传感器的工作流程： ―→―→―→―→ （3）传感器应用的一般模式 4．传感器的原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。 非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。 二、传感器常用元件 1．光敏电阻 (1)特点：光照越强，电阻越小。 (2)原因：光敏电阻的构成物质硫化镉为半导体材料，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。 (3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 2．金属热电阻 金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。 3．热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。 【特别提醒】．光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析 特性 原因 光敏电阻 光照越强，电阻越小 光照增强，载流子增多，电阻减小 金属热电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，金属电阻率增大，电阻增大 热敏电阻 负温度系数的热敏电阻 温度越高，电阻越小 温度升高，载流子增多，电阻减小 正温度系数的热敏电阻 温度越高，电阻越大 温度升高，载流子减少，电阻增大 4．电阻应变片 (1)定义：其电阻随着它所受机械形变的变化而变化的力敏元件。 (2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 5. 力传感器：由金属梁和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。 6. 电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。 常见电容式传感器 名称 传感器 原理 测定角度θ的电容式传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况 测定液面高度h的电容式传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况 测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况 测定位移x的电容式传感器　 随着电介质板进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况 7、霍尔元件及工作原理 (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，它就成了一个霍尔元件。 (2)工作原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷，从而形成电场；横向电场对载流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，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为d，则q＝qvB。 根据电流的微观解释I＝nqSv得，UH＝。令k＝，因n为单位体积内带电粒子的个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们