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1、第六章 传感器,1 传感器及其工作原理,一、什么是传感器 1.传感器的定义 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的元件。 2.非电学量转换为电学量的意义 把非电学量转换为电学量,可以方便地进行测量、传输、处理和控制。 二、光敏电阻 1.特点:光照越强,电阻越小。 2.原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料,无光照时,载流子少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。 3.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。,三、热敏电阻和金属热电阻 1.热敏电阻 热敏电

2、阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,温度升高电阻减小,如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。2.金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作温度传感器,称为热电阻,如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。,四、霍尔元件 1.构造: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,就成为一个霍尔元件。2.工作原理: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UH。,(1)其中d为薄片的厚度,k为霍尔系

3、数,其大小与薄片的材料有关。 (2)一个霍尔元件的d、k为定值,再保持电流I恒定,则UH的变化就与磁感应强度B成正比。 4.作用:把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。搜索“玉兔探月机器人”,了解我国“玉兔”探月机器人拥有哪些传感器,以后的探月机器人的发展方向等。,自我检测 1.正误判断。 (1)传感器担负着信息采集的任务,它常常是将电学量转化为力学量。 ( ) 解析:传感器是把非电学量转换为电学量。 答案: (2)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。 ( ) 解析:霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关。 答案: (3)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。( ) 答案:,(

4、4)金属热电阻随温度的升高导电能力增强,它的化学稳定性好,测量范围大。 ( ) 解析:金属热电阻随温度的升高导电能力减弱。 答案: (5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。 ( ) 答案:,2.关于传感器的下列说法正确的是( ) A.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的 B.金属材料也可以制成传感器 C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D.以上说法都不正确 解析:半导体材料可以制成传感器,其他材料也可以制成传感器,如金属氧化物氧化锰就可以制成传感器,所以选项A错误,选项B正确;传感器不但能感知电压的变化,还能感知力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变

5、化,所以选项C错误。 答案:B,3.许多楼道照明灯具有这样的功能:天黑时,出现声音它就开启;而在白天,即使有声音它也没有反应,它的控制电路中可能接入的传感器是( ) 温度传感器 光传感器 声音传感器 热传感器 A. B. C. D. 解析:楼道灯控制电路中安装有光声控延时开关,它装有光敏感元件,用于感知外界光线的强弱,还安装有声敏感元件用于感知外界声响。当白天外界光线较强时,光声控延时开关总处于断开状态,灯不亮;当夜晚光线较弱且有声响时光声控延时开关处于导通状态,灯亮,延时一段时间后,开关断开,灯熄灭。 答案:B,探究一,探究二,探究三,探究四,传感器 问题探究 干簧管结构:如图甲所示,它只是

6、玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片,接入图乙电路,当磁铁靠近干簧管时:会发生什么现象,为什么?干簧管的作用是什么?要点提示:灯泡会亮,因为当磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通;干簧管起到开关的作用,是一种能够感知磁场的传感器。,探究一,探究二,探究三,探究四,知识归纳 1.传感器的工作流程 非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量 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。 (3)转换电路是

7、将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流、电阻等。,探究一,探究二,探究三,探究四,典例剖析 【例题1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理,某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图乙所示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的 两点之间,按照你的接法请回答:当油箱中油量减少时,电压表的示数将 (选填“增大”或“减小”)。,探究一,探究二,探究三

8、,探究四,解析:由题图可知当油箱内液面高度变化时,R的金属滑片将会移动,从而引起R两端电压的变化,且当RR时,UR=IR可视为UR与R成正比,所以电压表应接在b、c两点之间,当油量减少时,电压表示数将增大。 答案:b、c 增大,探究一,探究二,探究三,探究四,变式训练1压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是( ),A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动 B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动

9、 C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动 D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动,探究一,探究二,探究三,探究四,解析:在0t1内,I恒定,压敏电阻阻值不变,由小球的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动,在t1t2内,I变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,A、B均错误;在t2t3内,I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。 答案:D,探究一,探究二,探究三,探究四,光敏电阻 问题探究 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。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?,探究一

10、,探究二,探究三,探究四,要点提示:(1)实验现象:同一只光敏电阻,用多用电表测量其阻值,用手掌遮光时,电阻值较大,在室内自然光的照射下电阻值变小,改用阳光直接照射时,电阻值变得更小。 (2)实验结论:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小。,探究一,探究二,探究三,探究四,知识归纳 光敏电阻的特点及工作原理 (1)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。 (2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照越强,电阻越小。它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。,探究一,探究二,探究三,探究四,典

11、例剖析 【例题2】(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时 ( )A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小 C.小灯泡的功率增大 D.电路的路端电压增大,探究一,探究二,探究三,探究四,解析:当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,从而电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路的路端电压减小,A项正确,D项错误。因路端电压减小,而R1两端电压增大,故R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确。结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,故小灯泡的功率增大,C项正确。 答案:ABC,探究一,

12、探究二,探究三,探究四,解决含有光敏电阻的直流电路动态分析问题 (1)明确光敏电阻的电阻特性; (2)解题思路:,探究一,探究二,探究三,探究四,变式训练2如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时表针的偏角为,现用手掌挡住部分光线,表针的偏角变为,则可判断( )A.= B. D.不能确定 解析:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,故B正确。 答案:B,探究一,探究二,探究三,探究四,热敏电阻和金属热电阻 问题探究 如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系

13、数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精,表针将如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?要点提示:由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,指针将向左偏;用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,电阻值减小,指针将向右偏。,探究一,探究二,探究三,探究四,知识归纳 热敏电阻和金属热电阻的特点 (1)热敏电阻:用半导体材料制成。 (2)金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度传感器,称为热电阻。,探究一,探究二,探究三,探究四,(3)热敏电阻和金属热电阻的区别,探究一

14、,探究二,探究三,探究四,典例剖析 【例题3】 如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时( ) A.R1两端的电压增大 B.电流表的示数增大 C.小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱 解析:R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,R1两端的电压减小,故只有C正确。 答案:C,探究一,探究二,探究三,探究四,变式训练3如图所示,由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,当闭合开关S后,小灯泡正常发光,若用酒精灯加热电阻丝时,发现小灯泡亮度变

15、暗,发生这一现象的主要原因是( ) A.小灯泡的电阻发生了变化 B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化 C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化 D.电源的电压随温度发生了变化 解析:电阻丝的电阻率随温度的升高而增大,电阻也增大,电路中电流减小,根据P=I2R知,小灯泡的实际功率减小,所以变暗。 答案:C,探究一,探究二,探究三,探究四,霍尔元件 问题探究 如图所示,在矩形半导体薄片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M、N间会出现电压,称为霍尔电压UH。(1)分析为什么会出现电压。 (2)试推导UH的表达式。(电流的微观表达式I=nqvS),探究一,探究二,探究三,探究四,要点

16、提示:(1)薄片中的载流子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。(2)设薄片厚度为d,EF方向长度为l1,MN方向长度为l2,受力分析如图。 当洛伦兹力与电场力平衡时,M、N间电势差达到稳定,探究一,探究二,探究三,探究四,知识归纳 霍尔元件的工作原理与特点 (1)霍耳元件的工作原理:E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现电压(如图所示)。(2)霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡。,探究一,探究二,探究三,探究四,(3)霍尔电压:

17、UH=k (d为薄片的厚度,k为霍尔系数)。当电流I一定时,UH与B成正比,所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量。,探究一,探究二,探究三,探究四,典例剖析 【例题4】如图所示,有电流I流过长方体金属块,金属块宽为d,高为b,有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,问:金属块上、下表面哪面电势高?电势差是多少?,解析:因为自由电荷为电子,运动方向与电流方向相反,故由左手定则可判定向上偏,则上表面聚集负电荷,下表面带等量的正电荷,故下表面电势高,设其稳定电压为U,当运动的自由电子所受电场力,探究一,探究二,探究三,探究四,霍尔电势高低的判断方法 由左手定则判断

18、带电粒子的受力方向,如果带电粒子是正电荷,则拇指所指的面为高电势面,如果是负电荷,则拇指所指的面为低电势面,但无论是正电荷还是负电荷,四指指的都是电流方向,即正电荷定向移动的方向,负电荷定向移动的反方向。在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。,探究一,探究二,探究三,探究四,变式训练4(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,对于一个霍尔元件d、k为定值,如果保持I恒定,则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)( ),A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,且永磁体的磁场与原磁场方向相同,UH将变大

19、B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平 C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平 D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化,探究一,探究二,探究三,探究四,解析:将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,且永磁体,大,选项A正确;地球两极的磁场方向在竖直方向上,所以霍尔元件的工作面应保持水平,使B与工作面垂直,选项B正确;地球赤道上的磁场沿水平方向,只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时,B才与工作面垂直,选项C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,B在垂直工作面方向上的大小发生变化,UH将发生变化,选项D正确。 答案:ABD,1,2

20、,3,4,1.非触摸式自动水龙头(自动感应水龙头)如图,其应用的传感器是( ) A.压力传感器 B.光电传感器 C.生物传感器 D.温度传感器 解析:自动感应水龙头应用的是光电传感器。 答案:B,1,2,3,4,2.如图甲所示,光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的( )解析:光敏电阻阻值随光照的增强而减小,根据题图乙知R2两端的电压随之同频率先减小后增大,但不会是零,所以选B。 答案:B,1,2,3,4,3.(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C

21、为电容器。当环境温度降低时( ) A.电容器C的带电荷量增大 B.电压表的读数增大 C.电容器C两板间的电场强度减小 D.R1消耗的功率增大,小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,B正确;又由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1变小,D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可,确,C错误。,AB,1,2,3,4,4.(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则( ) A.电势ab B.电势ba C.B一定,电流增大时,|a-b|增大 D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样 解析:铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以ab,A对,B错;因|a-b|=k ,所以B一定,电流增大时,|a-b|增大,C对;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|a-b|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误。 答案:AC,