傳感器工作原理及應(yīng)用

　　一、傳感器

　　能夠感受諸如力，溫度，光，聲，化學(xué)成分等物理量，并能把他們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為便于傳送和處理的里一個物理量（通常是電流，電壓等電學(xué)量）或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。

　　把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，就可以很方便的進(jìn)行測量，傳輸，處理和控制了。

　　二、傳感器原理

　　傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等。

　　而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作，傳感器原理如圖所示。

　　傳感器應(yīng)用的一般模式

　　三、常見傳感器的應(yīng)用

　　光敏傳感器——火災(zāi)報警器

　　1、光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化，這樣光敏電阻可以把光照強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個電學(xué)量。

　　2、光敏傳感器的電阻隨光照的增強(qiáng)而減小

　　光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。

　　溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗

　　由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把熱信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行自動控制。

　　（1）電熨斗的構(gòu)造：

　　（2）電熨斗的自動控溫原理：其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如上圖所示。

　　常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小。

　　則雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)分離，從而切斷電源，停止加熱。溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動控制溫度的作用。

　　測定壓力的電容式傳感器

　　當(dāng)待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產(chǎn)生形變，從而引起電容的變化。

　　如果將電容器與靈敏電流計、電源串聯(lián)，組成閉合電路，當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容器的電容將增大。電流計有示數(shù)，則壓力F發(fā)生了變化（如圖所示）

　　相比而言，金屬熱電阻化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好。

　　力傳感器的應(yīng)用——電子秤

　　（1）組成：由金屬架和應(yīng)變片組成

　　（2）電子秤的工作原理：如圖所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定。

　　在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變小。

　　F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變化就越大，如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小，傳感器把這兩個電壓的差值輸出．外力越大．輸出的電壓差值也就越大。

　　聲傳感器的應(yīng)用——話筒

　　（1）動圈式話筒的原理：

　　話筒是把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。

　　下圖是動圈式話筒的構(gòu)造原理圖，它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的。

　　當(dāng)聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動。

　　下圖話筒的原理圖音圈在永磁鐵的磁場里振動，其中就產(chǎn)生感應(yīng)電流（電信號）。

　　感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化由聲波決定．這個信號電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音。

　　（2）電容式話筒的原理：

　　如圖所示，Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電。

　　當(dāng)聲波使膜片振動時，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓。其優(yōu)點(diǎn)是保真度好。

　　（3）駐極體話筒：

　　①極化現(xiàn)象：將電介質(zhì)放入電場中，在前后兩個表面上會分別出現(xiàn)正電荷與負(fù)電荷的現(xiàn)象。

　　②駐極體：某些電介質(zhì)在電場中被極化后．去掉外加電場，仍然會保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為駐極體。

　　③原理：同電容式話筒．只是其內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑料薄膜。

　　④特點(diǎn)：體積小．重量輕，價格便宜，靈敏度高．工作電壓低，只需3～6V

　　霍耳元件

　　1、如圖所示，厚度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中。

　　當(dāng)恒定電流I通過導(dǎo)體板時，導(dǎo)體板的左右側(cè)面出現(xiàn)電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。

　　在這個矩形半導(dǎo)體上制作四個電極EFMN就成為一個霍耳元件，能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。

　　2、霍耳電壓

　　①其中k為比例系數(shù)，稱為霍耳系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān)。

　　②一個霍耳元件的d、k為定值，再保持I恒定，則

　　的變化就與B成正比，因此霍耳元件，又稱磁敏元件。

　　3、工作原理

　　霍耳元件就是利用霍耳效應(yīng)來設(shè)計的。一個矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極。

　　如圖所示，沿EF方向通入電流I，垂直于薄片加勻強(qiáng)磁場B，則在MN間會出現(xiàn)電勢差U，設(shè)薄片厚度為d，EF方向長度為l1，MN方向為l2。

　　薄片中的帶電粒子受到磁場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使N側(cè)電勢高于M側(cè)，造成半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場，帶電粒子同時受到電場力作用。

　　當(dāng)磁場力與電場力平衡時，MN間電勢差達(dá)到恒定。

　　再根據(jù)電流的微觀解釋

　　整體得：

　　其中n為材料單位體積的帶電粒子個數(shù)，q為單個帶電粒子的電荷量。

　　則有

　　可見，U與B成正比這就是為什么霍耳元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原因。