第九章 第二节 常见传感器的工作原理

 

 

 

传感器为高新技术与人工智能的发展担当重任。我们对传感器并不陌生，在很多物理实验中我们已使用过传感器，除了电流传感器、电压传感器直接“感知”电学量之外，其他如位移传感器、力传感器等都是把需要测量的物理量转化为电信号而显示出来的。它们究竟是利用哪些物理原理来实现信号转换的呢？下面简介一些常见传感器的工作原理。

用来测定磁感应强度 B 的磁传感器的主要部分由半导体材料构成。常用的半导体材料分为两类，一类材料中的自由电荷是正电荷，另一类材料中的自由电荷是负电荷。把这两种半导体薄片放在匀强磁场中，其平面与匀强磁场方向垂直，分别如图 9–7（a）、（b）所示。当电流从下往上通过元件时，由于受洛伦兹力的作用，自由电荷在磁场中发生侧向偏转，图（a）中正电荷向薄片右边逐渐积累，图（b）中负电荷也向薄片右边逐渐积累，使得每块薄片的两侧都产生电势差，这个现象叫做霍尔效应；这两种半导体薄片便叫做霍尔元件。在霍尔效应中，磁感应强度越大，霍尔元件两侧面的电势差越大；于是可以通过测定霍尔元件两侧面的电势差来确定磁感应强度的大小。磁传感器就是运用这个原理制成的。

半导体材料的电阻随温度显著变化，因此常被制成热敏电阻，如图 9–8 所示，用于测量温度。将热敏电阻接在稳压电源两端，测量通过电阻的电流，即可计算阻值，从而推得温度。温度传感器（图 9–9）就是根据这一原理来工作的。热敏电阻包括正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度电阻（CTR）三大类。各类热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线如图 9–10 所示。从图中可以看出，PTC 热敏电阻的阻值随温度上升不断增大；NTC 热敏电阻的阻值随温度上升不断减小；CTR 热敏电阻的阻值则在某个温度附近会发生急剧变化。利用不同类型的热敏电阻，可以实现各种情况下的温度测量和自动控制。

热敏电阻灵敏度高、反应快、使用方便，但通电后自身发热影响阻值，因此测量操作

 

必须快速，并且通常用于测量精度要求不高的场合。

力传感器是一种将力信号转变为电信号输出，即将力学量转换为电学量的电子元件。如图 9–11 所示是电子台秤和实验用的力传感器。力传感器的敏感元件是悬臂梁和应变片。如图 9–12 所示，悬臂梁是一种弹性元件，一端固定，另一端受力。在力 F 作用下，悬臂梁的上、下表面均产生微小的形变，称之为“应变”。

 

 

应变片是一种将金属“应变”转换成电学量的转换元件。如图 9-13 所示，这里的金属丝就是一种“应变片”，它将金属片的形变转换成电阻的变化。

 

图 9–13 应变片

利用电阻应变片，将金属的应变转换成电阻的变化，从而将力学量转换为电学量。在悬臂梁产生应变的部位粘贴电阻应变片，将悬臂梁的应变传递到应变片上，从而将悬臂梁的应变转换为电阻的变化。配以适当的电桥电路就能输出与作用力成一定关系的电压来显示力的大小。

 

 

气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，如图 9–16 所示。当待测气体与气敏材料发生相互作用（化学作用、生物作用或物理吸附），使得气敏材料的特性发生变化，由此获得待测气体浓度的变化值。如采用氧化锡半导体作为气敏材料，这类半导体器件对乙醇蒸气具有良好的气敏特性，当接触的气体中乙醇气体的浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低。半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的。目前，普遍使用的还有电化学型酒精测试器。电化学型是将采集到的酒精气体在特种催化剂中燃烧而转变为电能，在两个电极上所产生的电压与采集到的酒精气体浓度成正比，由此做成电化学型呼气酒精测试仪。电化学型通常使用于执法交警部门，半导体型通常使用于民用市场。

酒精传感器对检测气体乙醇具有很高的灵敏度。可对机动车驾驶人员进行现场检测，以确定被测者呼出气体中酒精含量的多少，以制止和处罚“酒后驾车”及“醉酒驾车”等严重危害道路交通安全和人民生命财产的行为。

某些晶体在变化的外力作用下，表面会出现等量异号电荷，外力稳定或撤去外力后，表面又恢复电中性，这种现象称为压电效应。压电陶瓷片就是根据这一效应制成的。常用的压电陶瓷材料是锆钛酸钡，简称 PZT，外形如图 9–17（a）所示，它的结构如图 9–17（b）所示。将一片镀银薄陶瓷片和一片黄铜片黏合在一起，分别作为两个电极。当压电陶瓷片受到机械振动时，两个电极之间就会出现电信号。利用这个特性可以把压电陶瓷片制成传感器，用它测量，得到振动图像。

 

 

压电陶瓷只能进行动态测量，无法完成静态测量。例如，将 100 N 重物放在压电陶瓷上的瞬间，传感器将输出相应大小的脉冲电压；当重物稳定后，传感器的输出为 0；将重物移开压电陶瓷的瞬间，传感器则输出极性相反的脉冲电压。

本节编写思路

传感器在现代化的进程中的作用越来越重要。通过介绍磁传感器、温度传感器、力传感器、用压电陶瓷片制作的传感器等工作原理，让学生了解这些元件如何将非电学量转化成电学量。让学生了解这些常用传感器的工作原理就是已经学习过的物理规律，感受物理知识与技术结合的意义及社会效益。通过“自主活动”让学生亲身体验压电陶瓷片的压电敏感性。激发有兴趣的同学对材料特性和传感器研发的关注。

正文解读

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。导体、半导体、导电流体等都有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，从而使霍尔效应成为研究半导体材料性能的基本方法之一。霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子（电子或空穴）在磁场中受洛伦兹力作用而偏转形成霍尔电压的现象。

根据霍尔效应用半导体材料制成的元件叫霍尔元件，它可将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制，在自动化生产与技术领域具有广泛应用。

 

正温度系数 PTC（positive temperature coefficient）热敏电阻是电阻值随温度升高而增加的电子元件。负温度系 数 NTC（negative temperature coefficient）热敏电阻是电阻值是随温度上升而下降的电子元件。临界温度热敏电阻 CTR（critical temperature resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度范围内，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数。

 

此处的“拓展视野”主要提供给对物理学科竞赛有兴趣的同学阅读，这是电桥知识应用于生产技术、解决实际问题的实例。

 

此处的“STSE”主要介绍几种压力传感器。压力传感器广泛应用于航空航天、军工、石化、电力、船舶、机床、管道、水利水电、铁路交通、智能建筑等众多行业的生产自控环境，其制作工艺要求很高，引起学生关注很有必要。

 

介绍几种常用传感器的基本原理，旨在引导学生理解设计传感器的基本逻辑：需要知道的外界变化（信号）→找到可感知和接收的载体→转换为电信号→测出变化，为控制或调节提供信息。

 

此处的“自主活动”旨在使学生直接体验压电陶瓷片的性能，感受技术的重要性及其在生活中的应用，如电子秤、压电式打火机、燃气灶点火、压电式雨滴传感器、压电式声控传感器等。

问题与思考解读

1．参考解答：如电吹风、照明灯、电烙铁、指针式多用表等无传感器。

如电视机遥控器有的是用红外传感器，也有的是用声控传感器。电冰箱、电饭煲的温控采用温度传感器。家用饮水器里有温度传感器、压力传感器等。

命题意图：让学生感受到现在已很少没有传感器的家用电器了，说明传感器在现代家用电器中已广泛应用。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅰ）。

 

2．参考解答：行人发出的声响，作为声音信号，被声控传感器接收而转为电信号。

命题意图：明确传感器的基本功能是通过将非电学量转换成电学量实现自动控制的。进一步领会非电学量转换为电学量的意义。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

 

3．参考解答：应测量 t₂ ~t₃ 范围内的温度。因为此范围对应的图像的斜率较大，即相同的温度改变导致电阻改变得更大，使电流的改变也更大，温度计表现得更灵敏。

命题意图：从图像中获取信息，理解灵敏度的意义。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

 

4．参考解答：（1）根据左手定则，只要电流方向不变，无论移动的电荷是正电荷还是负电荷，安培力的方向都是指向 N 侧的，即负电荷偏向 N 侧面，N 面上聚集的是负电荷，因此 M 的电势比 N 要高。

（2）若将电极 N 沿 ab 方向平移至 N′，由于材料是有电阻的，沿电流方向电势会降低，即电势 U_N′ < U_N。当移动的是负电荷，因此 M、N 之间的电势差将会变大。当移动的是正电荷，N 的电势比 M 要高，则 M、N 之间的电势差将会变小。若 NN′ 之间的距离足够大，则 M、N 之间的电势差先变小、直到减为零后再反向变大。

命题意图：了解磁传感器中的核心元件（霍尔元件）的基本原理是基于洛伦兹力的作用，进一步巩固带电粒子与电场、磁场的相互作用。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。