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1、第六章 传 感 器 1 传感器及其工作原理,【自主预习】 1.传感器: (1)定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分 等_,并能把它们按照一定的规律转换为便于传 送和处理的电压、电流等_,或转换为电路_ 的元件。,物理量,物理量,通断,(2)意义:把非电学量转换为电学量,可以方便地进行 _、传输、处理和_。 2.光敏电阻: (1)特点:光照越强,电阻_,光照越弱,电阻_。 (2)原因:无光照时,载流子极少,导电性能_;随着 光照的增强,载流子_,导电性能_。 (3)作用:把光照强弱这个光学量转换为_这个电学 量。,测量,控制,越小,越大,不好,增多,变好,电阻,3.热敏电阻和金属热电阻:

2、,减小,增大,金属,电阻,4.霍尔元件: (1)构造:在很小的半导体薄片上,制作四个电极E、F、 M、N。 (2)霍尔电压:如图,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=_。,(3)作用:把磁感应强度这个磁学量转换为_这个 电学量。,电压,【预习小测】 1.(多选)传感器担负着信息采集的任务,它可以( ) A.将力学量(如形变量)转变成电学量 B.将热学量转变成电学量 C.将光学量转变成电学量 D.将电学量转变成力学量,【解析】选A、B、C。传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类

3、元件。故选项A、B、C对,选项D错。,2.(多选)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;而白天,即使有声音它也没有反应,它的控制电路中接入了哪些传感器 ( ) A.温度传感器 B.光传感器 C.声音传感器 D.热传感器,【解析】选B、C。根据题意,天黑时,出现声音它就开启;而白天,即使有声音它也没有反应,故电路中有光传感器,即使天黑,没有声音灯也不亮,故用到了声音传感器。即控制电路中接入了光传感器、声音传感器。故选B、C。,3.关于光敏电阻和热敏电阻,下列说法中正确的是( ) A.光敏电阻是用半导体材料制成的,其阻值随光照增强而减小,随光照的减弱而增大 B.光敏电阻是能把光照

4、强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器,C.热敏电阻是用金属铂制成的,它对温度感知很灵敏 D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器,【解析】选A。光敏电阻是把光强转换为电阻的元件;热敏电阻是把温度转换为电阻的元件,故B、D错误;热敏电阻和光敏电阻都是由半导体材料制成的,半导体具有光敏性和热敏性,金属铂与热敏电阻相反,故C错误。,4.金属铂的电阻值对温度高低非常敏感,图中可能表示金属铂电阻的U-I图线是 ( ),【解析】选B。金属铂导体的电阻对温度的变化很敏感,电阻随温度的升高而增大,在一定温度下其U-I图线是非线性的,且图线的斜率越来越大,故B正确。,主题一 什么是传感器

5、 【互动探究】 干簧管、色标传感器、温度传感器及力传感器等都是生活和生产中常用的传感器。请结合上述传感器思考下列问题,(1)干簧管的工作原理及在电路中的作用是什么? 提示:干簧管可以感受外界磁场,当干簧管的两个铁质簧片处在磁场中时,两个簧片被磁化,在磁力的作用下由原来的分离状态变成闭合状态,磁场减弱时两个簧片又分开,它在电路中的作用就是一个磁控开关。,(2)举例说明:不便于测量和控制的非电学量有哪些?便 于测量和控制的电学量有哪些? 不便于测量和控制的非电学量主要有_ _等,便于测量和控制的电 学量有_等。,角度、位移、速,度、压力、温度、声强、光照,电压、电流,(3)传感器最基本的作用是什么

6、?传感器的工作过程是 怎样的? 传感器最基本的作用是_ _,其工作过程为:_ _。,将被测量的非电学量转换成电,学量,非电学量敏感元件转换元件,转换电路电学量,【探究总结】 1.传感器的定义: 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于研究的某种物理量的测量装置。,2.传感器的功能与人类器官的对应关系: 人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而在研究自然现象和规律以及生产活动中就需要大量的传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。传感器的功能可与人类5大感觉器

7、官相比拟:,光敏传感器视觉 声敏传感器听觉 气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 流体传感器触觉,【典例示范】 几年前,中国牛奶行业经历了一次严峻考验,许多牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺。在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”,若这种检测方法使用了传感器,应为传感器中的哪一类 ( ) A.物理传感器 B.化学传感器 C.生物传感器 D.温度传感器,【解析】选C。检测方法为酶标法,故其原理是利用了生物酶,应为生物传感器,C正确。,【探究训练】 1.为了防止火灾的发生,在宾馆房间的天花板上大多装有一个传感器,该传感器是 ( ) A.气体传感器 B.光敏电阻传感器 C.压力传感器 D.烟雾传感

8、器,【解析】选D。火灾报警器当有烟雾时,经过漫反射,将光信号转换成电信号,从而发出警报,所以该传感器是用光传感器实现报警的,从而制成烟雾传感器,故A、B、C错误,D正确。,2.如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。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。当油箱中油量减少时,电压表的示数将如何变化?,【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。当油量减少时,R的数值会增大,电路中的电流会减小,c、d间的电压会减小。 答案:减小,【补偿训练】 1.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开

9、通电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干,手靠近干手机能使传感器工作,是因为 ( ) A.改变湿度 B.改变温度 C.改变磁场 D.改变电容,【解析】选D。根据自动干手机工作的特征,手靠近干手机时电热器开始工作,手撤离后电热器停止工作,人是一种导体,可以与其他导体构成电容器,手靠近时相当于连接一个电容器,可以确定干手机内设有电容式传感器,由于手的靠近改变了电容的大小,故选项D正确;用湿度和温度来驱动电热器工作,理论上可行,但是假如干手机是由于温度、湿度的变化而工作就成了室内烘干机。,2.传感器是把非电学物理量(如位移、压力、流量、声 强等)转换成电学量的一种元件。如图所示为一种电容 式传感

10、器,电路可将声音信号转化为电信号。电路中 a、b构成一个电容器,b是固定不动的金属板,a是能在 声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜。 若声源S发出频率恒定的声波使a振动,则a在振动过程 中 ( ),A.a、b板之间的电场强度不变 B.a、b板所带的电荷量不变 C.电路中始终有方向不变的电流 D.向右位移最大时,电容器的电容最大,【解析】选D。a、b始终跟电源相连,电势差U不变,由 于a、b间距离变化,由E= 知场强变化,A错误;由C=知d变化时C变化,a向右位移最大时,电容最大,D 正确;由Q=CU知a、b所带电荷量变化,电路中电流方向 改变,B、C错误。,主题二 传感器的几种敏感元

11、件 【互动探究】 1.光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、霍尔元件有什么不同?,提示:,越小,增多,减小,越大,增大,增大,越小,增多,减小,越大,减少,增大,正比,2.电容式位移传感器的工作原理是什么? 提示:电容器内部的电介质发生位移时,会导致电容器的电容发生变化,就能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。,3.楼道照明灯一般都装有光声控延时开关,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。据此判断,光声控延时开关里面安装有哪些种类的敏感元件?各有什么作用?,提示:光声控延时开关

12、中安装有光敏元件,用于感知外界光线的强弱;还安装有声敏元件,用于感知外界声响。,【探究总结】 1.敏感元件: 敏感元件指能够灵敏地感受被测量并做出响应的元件,是传感器中能直接感受被测量的部分。它是传感器的重要组成部分,敏锐地感受某种物理、化学、生物信息并将其转换为电信号。有些传感器,它的敏感元件与转换元件合并在一起。例如,半导体气体、湿度、温度和压力传感器等。,2.敏感元件的种类: (1)光敏元件:电阻值随入射光(一般指可见光)强弱而变化的敏感元件。通常入射光增强时,电阻值减小。 (2)力敏元件:随外界压力改变而变化的敏感元件。力敏元件种类繁多,如电阻式力敏元件、电容式力敏元件、压电式力敏元件

13、等。,(3)磁敏元件:一种磁电转换元件,包括霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管等。 (4)气敏元件:电参数随外界气体种类和浓度变化而变化的敏感元件。 (5)湿敏元件:随环境湿度变化而变化的敏感元件。,【拓展延伸】常见电容式传感器,【典例示范】 广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中 的温度传感器,是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变 化的特性工作的。在图甲中,电源的电动势E=9.0V,内 电阻不可忽略, 为内阻不计的灵敏电流表,R0为保护 电阻,R为热敏电阻,其电阻值与温度变化关系如图乙的 R-t图象所示。则热敏电阻R与摄氏温度t的关系为,R= ;闭合电键S,当R的温度等于40时

14、,电流表示数I1=2.25mA,则当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻R的温度是 。,【解题指南】解答本题要把握以下三点: (1)温度传感器就是一只可变电阻。 (2)可变电阻的阻值随温度升高而减小,并且是阻值随温度线性变化。 (3)根据闭合电路的欧姆定律,建立起电阻与电流的关系,结合电阻与温度的关系,就能找到电流与温度的关系。,【解析】设热敏电阻R与摄氏温度t的关系式为R=kt+b, 在R-t图象上取两点,如取40对应的电阻3.5k, 120对应的电阻2k,代入R=kt+b得,3 500=k40+b, 2 000=k120+b,联立解得k=-18.75,b=4.25103,所 以该热敏电

15、阻的R-t关系式为R=-18.75t+4.25103。 闭合电键S,当R的温度等于40时,热敏电阻R的阻值为 3.5k,电流表示数I1=2.25mA,由闭合电路欧姆定律得,E=I1(R0+r+3 500),则当电流表的示数I2=3.6mA时, E=I2(R0+r+R),联立解得R=2k,由题图乙得热敏电阻R的温度是120。 答案:-18.75t+4.25103 120,【探究训练】 1.(2018杭州高二检测)下列有关各种电阻应用的说法中错误的是 ( ) A.热敏电阻可应用于温度测控装置中 B.光敏电阻是一种光电传感器 C.电阻丝可应用于电热设备中 D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的

16、作用,【解析】选D。热敏电阻的原理是通过已知某电阻的电阻值与温度的函数关系,测得该热敏电阻的值即可获取温度,从而应用于温度测控装置中,A说法正确;光敏电阻是将光信号与电信号进行转换的传感器,B说法正确;电阻丝通过电流会产生热效应,可应用于电热设备中,C说法正确;电阻对直流和交流均起到阻碍的作用,D说法错误。,2.(2018成都高二检测)传感器是把非电学量转换成电学量的一种元件。如图所示,乙、丙是两种常见的电容式传感器,现将乙、丙两种传感器分别接到图甲的电路中进行实验(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏),下列实验现象中正确的是 ( ),A.当乙传感器接入电路实验时,若F变小,则电流表指针向右

17、偏转 B.当乙传感器接入电路实验时,若F变大,则电流表指针向左偏转 C.当丙传感器接入电路实验时,若液体深度h变大,则电流表指针向左偏 D.当丙传感器接入电路实验时,若液体深度h变小,则电流表指针向左偏,【解析】选D。当乙传感器接入电路实验时,若F变小, 电容器两极板间的距离增大,根据电容的决定式C=得知,电容减小,而电压不变,则由Q=CU可知,电 容器所带的电量减小,电容器放电,电路中有顺时针方 向的电流,则电流表指针向左偏转,故A错误;当乙传感 器接入电路实验时,若F变大,电容器两极板间的距离减 小,根据电容的决定式C= 得知,电容增大,而电压,不变,则由Q=CU可知,电容器所带的电量增加

18、,电容器充 电,电路中有逆时针方向的电流,则电流表指针向右偏 转,故B错误;当丙传感器接入电路实验时,若导电溶液 深度h变大,两电极正对面积增大,电容增大,而电压不 变,则电容器充电,电路中有逆时针方向的电流,则电流 表指针向右偏转,故C错误;当丙传感器接入电路实验时,若导电溶液深度h变小,两电极正对面积减小,电容减小,而电压不变,则电容器放电,电路中有顺时针方向的电流,则电流表指针向左偏转,故D正确。,3.(2016北京高考)热敏电阻常用于温度 控制或过热保护装置中。如图为某种热敏 电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的 示意图。由图可知,这种热敏电阻在温度上升时导电能力 (选填“增强”或“

19、减弱”);相对金属热电阻而言,热敏电阻对温度变化的响应更 (选填“敏感”或“不敏感”)。,【解析】从图中可看出,温度上升时,热敏电阻的阻值越小,即对电流的阻碍作用越小,导电能力越强。从图中还可看出在温度变化相同时,热敏电阻的阻值变化更大,故热敏电阻对温度变化的响应更敏感。 答案:增强 敏感,【补偿训练】 如图所示,截面为矩形的金属导体,放在磁场中,当导 体中通有电流时,导体的上下表面的电势有什么关 系 ( ) A.UMUN B.UM=UN C.UMUN D.无法判断,【解析】选A。霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用做定向移动形成的,根据左手定则,电子受到向下的洛伦兹力作用,向N板运动,则M板剩下正电荷,所以UMUN。故选A。,【通法悟道】 电容式传感器的应用 (1)电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系,将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。,【课堂小结】,