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内容举例： 传感器及其应用
第1节 常见传感器的工作原理
第2节 科学制作：简单的自动控制装置
第3节 大显身手的传感器
第5章 传感器及其应用
第1节 常见传感器的工作原理
一、初识传感器
1. 定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置。
2. 功能：传感器通常用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息采集和转化任务，把非电学量转化为电学量。
3. 组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成。
二、 敏感元件
1. 光敏元件
(1)光敏电阻是常见的光敏元件，它由金属硫化物等半导体材料制成。光照越强，被激发的电子数越多，电阻值就越小。
(2)光敏元件除光敏电阻外，还有光敏晶体管、光电池等。
2. 热敏元件
热敏电阻是常见的热敏元件，广泛应用于温度传感器中。
(1)NTC热敏电阻(负温度系数热敏电阻)：阻值随温度升高而减小。
(2)PTC热敏电阻(正温度系数热敏电阻)：阻值随温度升高而增大。
3. 磁敏元件
如图，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的匀强磁场，则M、N间出现霍尔电压UH，UH=kIB/d，式中d为霍尔元件的厚度，k为与材料有关的霍尔系数。对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，UH完全取决于磁感应强度B。因此，霍尔元件可将磁感应强度的测量转化为电压的测量。
三、传感器
如图甲所示，家用电热灭蚊器中应用了温度传感器，它的主要元件是PTC元件。PTC元件是由钛酸钡等半导体陶瓷发热材料制成的电阻器，它有一个根据需要设定的温度，低于这个温度时，其电阻随温度的升高而减小，高于这个温度时，电阻值则随温度的升高而增大，我们把这个设定的温度叫“居里点”。该元件电阻率ρ随温度t变化的关系图线如图乙所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能。
问题1
根据图乙所示，该PTC材料的居里点为多少?
提示 T1。根据题图分析可知，低于T1时，其电阻值随温度的升高而减小，高于T1时，电阻值则随温度的升高而增大，所以PTC材料的居里点为T1。
问题2
通电后，PTC元件电功率先增大后减小，还是先减小后增大?
提示 先增大后减小。通电后PTC元件的温度逐渐升高，由题图可知，电阻率先变小后变大，由电阻定律R=ρl/S可知，PTC元件的电阻R先变小后变大，电源电压U不变，由P=U^2/R可知，PTC元件的电功率先变大后变小。
问题3
当PTC元件产生的热量与散发的热量相等时，温度能自动保持在哪一个范围内的某一值不变?
提示 T1~T2。由题图分析可知，在T0~T1区间内，PTC元件的电阻随温度的升高而减小；在T1~T2区间内，PTC元件的电阻随温度的升高而增大；在T2往后的区间内，电
阻随温度的升高而减小。在家庭电路中电压不变，电阻消耗的电功率P=U^2/R，可知发热功率与电阻成反比。在温度升到T1前，PTC元件的电阻随温度的升高而减小，功率增大，温度升高更快；温度一旦超过T1，PTC元件的电阻随温度的升高而增大，功率减小，放出热量减小，温度升高变慢，当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在T1至T2间的某一值不变。
1. 传感器的工作流程和传感器的组成
(1)传感器的工作流程
(2)传感器的组成
①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：是传感器中能将敏感元件输出的、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。
2. 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。
四、敏感元件
1. 光敏电阻
作用 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
特点 光照越强，电阻越小
原因 无光照时载流子极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好
2. 热敏电阻
(1)热敏电阻的特性
热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻，正温度系数热敏电阻随温度升高阻值增大，负温度系数热敏电阻随温度升高阻值减小。
(2)热敏电阻阻值变化的原因
对于负温度系数热敏电阻，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，于是导电性能明显增强，阻值减小。
3. 磁敏元件——霍尔元件
(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)作用
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。
(3)霍尔电压：UH=kIB/d。
①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
②一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则UH就与B成正比。
(4)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。
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