第六章 1 传感器及其工作原理

没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用。

——李政道[1]

在经历了六个多月的太空旅程之后，美国“勇气号”火星探测器于北京时间2004年1月4日12时35分成功登陆火星。4日下午5时42分，地面控制人员用英国摇滚乐队披头士的歌曲《早上好、早上好》，唤醒了远在火星上的“勇气号”。第二天，“勇气号”在地面控制下展开了太阳电池板，开始为自己充电。

远离我们亿万公里之遥的小小探测器为什么能如此听话地“任人摆布”？人们又是如何操控它的？

其实人们不必直接接触，就可以控制一些机器。例如用红外线遥控器控制电视的开关；用日光的明暗控制路灯的开关；用声音的强弱控制走廊内照明灯的开关等。要想知道这些自动控制的道理，就要学习一些有关传感器的知识。

第六章 1 传感器及其工作原理

演示

如图6.1-1，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。

盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？

什么是传感器

电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件（图6.1-2），它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。当磁体如图6.1-2所示靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。干簧管是一种能够感知磁场的传感器。

人家都会使用普通的温度计，但是在很多情况下它却不能满足我们的需求。例如医疗和防疫需要一种快速、准确而又与被测者身体没有接触的体温测试仪，化工厂的控制室内要同时知道相距较远的若干个反应器中的温度，气象站要把一天中气温的变化连续地记录下来，孵化器要在达到设定的温度时切断加热器的电源……

现代技术中，传感器（sensor）是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断。如果把非电学量转换为电学量，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

为了制作传感器，需要一些元器件，下面来看几个实际的例子。

光敏电阻

有一些物质，例如硫化镉，电阻率与所受光照的强度有关。把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极（图6.1-4），这样就制成了一个光敏电阻。硫化镉表面受到的光照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样。

实验

将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡（图6.1-5）。在室内自然光的照射下，电阻值约有多大？用手掌遮光时电阻值又是多少？用阳光直接照射呢？

换用一只普通的电阻，小心地把电阻器表面的漆层除去一些，使里面的导电膜露出来接受光照。重做上述实验，结果相同吗？

光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，原因是：硫化镉是一种半导体材料，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，导电性变好。

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。

科学漫步

半导体的导电机理

金属中有很多可以自由移动的电子，所以金属能够导电。半导体为什么能够导电？单晶硅是一种常用的半导体材料，我们以它为例做些浅显的解释。

图6.1-6是硅原子排列的示意图，每个原子的最外层有4个电子。由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子。这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”，空穴相当于一个正电荷。当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动。

如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流。自由电子和空穴都叫做载流子（carrier）。

当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电能力明显增强。

热敏电阻和金属热电阻

除了光照以外，温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。

金属的电阻率随温度的升高而增大（图6.1-7中的图线1）。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。常用的一种热电阻是用铂制作的，曾在《物理选修3-1》的第二章第6节做过介绍。与金属不同，有些半导体在温度上升时导电能力增强（图6.1-7中的图线2），因此可以用半导体材料制作热敏电咀。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

实验

将多用电表调到电阻挡上（注意选择适当的倍率），然后仿照图6.1-5所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表的两端。

分别用手和冷水去改变热敏电阻的温度，观察电阻值的变化情况。

说一说

如图6.1-8，当被测物体在左右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？

电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。

霍尔元件

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（图6.1-9）。在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压U_H。

可以证明[2]

U_H＝k\(\frac{{IB}}{d}\)

式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则U_H的变化就与B成正比。

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。

做一做

取一个图6.1-10所示的霍尔元件，从相对的两个电极接出两条导线，与限流电阻及电流计串联后接到干电池上。调整电阻使通入的电流约为10 mA。将另一对电极接到数字式多用表的200 mV直流电压挡上。

将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，即写有字符的表面，观察是否出现霍尔电压以及这个电压怎样变化。用另一个磁极去接近，又会看到什么现象？改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，再次观察这个电压的变化。

问题与练习

1．图6.1-11是两种电感式微小位移传感器的原理图。图甲中，1是待测的物体，2是可以上下移动的软铁芯，3是固定的软铁芯，2、3之间的空气间隙随着物体的位移改变，铁芯3上绕有线圈4。乙图中，3是空心线圈，1是待测的物体，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中平移。

说明它们的工作原理，并尝试设计与线圈3或线圈4相连的电路。

2．按照你对以下几种传感器的理解填写下面的表格，并和同学们讨论可能的工作原理。

发布时间：2017/8/22 下午10:21:20  阅读次数：1072