4.3 用传感器做实验 4.4 信息时代离不开传感器
学 习 目 标 1.了解日常生活中常见的一些传感器及其应用. 2.了解常见的传感器做一些简单实验. 3.掌握传感器应用的设计.(难点) 4.掌握现代信息技术中传感器的电路分析.(重点) 几种常见的传感器 知 识 脉 络
[先填空] 1.温度传感器
温度传感器是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的原理制成的，它能把温度这个热学量转换为电压这个电学量.温度传感器中用于测温的敏感元件是热敏电阻，它由铂金属制成.铂金属电阻的温度系数稳定、电阻率高、测量范围宽，在工业测温中应用广泛.
2.力传感器
将力学量转换为电学量的装置称为力传感器.力传感器的工作原理是通过内部的悬臂梁先将力学量转换成金属材料的形变，然后由敏感元件将这种形变转换成电学量.力传感器的敏感元件是金属电阻应变片，在外力作用下电阻丝的长度和截面改变引起电阻变化.
3.磁传感器——霍尔元件的应用
霍尔元件是将磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量的元件.磁传感器中的敏感元件是磁敏感元件，也称为霍尔元件.
霍尔电压：如图4-3-1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝KHIB.
图4-3-1
[再判断]
1
1.家用遥控系统使用的是红外线传感器.(√) 2.火灾报警器是利用的温度传感器.(×)
3.霍尔元件的作用是把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.(√) [后思考]
在一些酒店、银行安装有自动门，人到门前，门能自动打开，人过后，门又能关上，这种传感器是靠什么工作的？
【提示】 自动门内部有红外线感应系统(也有靠雷达的)，当人在红外线检测区域内，传感器将电动机启动、开门、关门.
[合作探讨]
如图所示为一矩形霍尔元件，沿EF方向通的电流I，放入匀强磁场B之中.
图4-3-2
探讨1：霍尔元件是将磁学量转换为什么物理量？ 【提示】 电压.
探讨2：若此霍尔元件为半导体材料制成的，则N、M两点的电势哪点高？ 【提示】 N点高.
探讨3：若此霍尔元件为金属材料制成的，则N，M两点的电势哪点高？ 【提示】 M点高. [核心点击] 1.霍尔元件
如图4-3-3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，就成为一个霍尔元件.霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换成为电压这个电学
量.
图4-3-3
2.霍尔电压UH＝k
(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、霍尔系数k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成
2
IBd正比，因此霍尔元件又称磁敏元件.
(3)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，导体板左右两侧会形成稳定的电压，设图中MN方向长度为l2，则q＝qvB.
根据电流的微观解释，I＝nqSv，整理后，得UH＝
UHl2
IB. nqd1
令k＝，因为n为材料单位体积的导电粒子个数，q为单个导电粒子的电荷量，它们
nq均为常数，所以UH＝k.
IBdUH与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因.
1.霍尔元件能转换哪两个量( ) A.把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 B.把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 C.把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量 D.把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
【解析】 霍尔电压UH＝kIB/d，它是把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，所以选B.
【答案】 B
2.一种半导体材料称为霍尔材料，用它制成的元件称为霍尔元件，这种材料有可定向移动的电荷，称为载流子，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷，即q＝1.6×10
－19
C，霍尔
元件在自动检测、探测领域得到广泛应用，如录像机中用来测量磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降机电动机的电源通断等.
【导学号：72000091】
图4-3-4
在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽ab＝1.0×10m、长bc＝4.0×10m、
－2
－2
3
厚h＝1×10m，水平放置在竖直向上的磁感应强度B＝1.5 T的匀强磁场中，bc方向通有I＝3.0 A的电流，如图4-3-4所示，沿宽度产生1.0×10V的横向电压.
(1)假定载流子是电子，a、b两端中哪端电势较高？ (2)薄板上形成电流I的载流子定向运动的速率多大？
【解析】 (1)根据左手定则可确定a端电势高；(2)当导体内载流子沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，横向电压稳定.设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为v，横向电压为Uab，横向电场强度为E，电场力为Fe＝E·e＝
－5
－3
Uabab·e，洛伦兹力FB＝evB，平衡时
Uabab·e＝evB，得v＝
UababB≈6.7×10m/s.
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【答案】 (1)a (2)6.7×10 m/s
处理霍尔元件问题的两点技巧：
(1)横向电场力与洛伦兹力相等是解题关键. (2)在匀强电场中有F＝qE，E＝可得U.
信 息 时 代 离 不 开 传 感 器 Ud
[先填空]
1.随处可见的传感器
(1)红外测温仪：是一种将红外辐射波转换成电信号的传感装置.
(2)数码相机和摄像机：敏感元件叫做电荷耦合器件(CCD)，它将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号再通过一种专门转换器(A/D)转换成数字电信号.
(3)酒精浓度测试仪：敏感元件是酒精传感器. 2.信息社会离不开传感器
智能式传感器集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能于一身，把计算机、各种用途的传感器和输入输出接口等制作在同一芯片上，成为大规模集成电路智能传感器.
3.遥测与遥感
遥感遥测的基本原理是通过遥感传感器对观测目标产生的电磁波、热辐射进行远距离收
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