1、11 传感器及其工作原理学习目标 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用一、传感器及工作原理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
2、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三、热敏电阻和金属热电阻的特点1热敏电阻：用半导体材料制成可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小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，称为热电阻四、霍尔元件的特点1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2霍尔电压： UH k (d 为薄片的厚度， k 为霍
3、尔系数)其中 UH的变化与 B 成正比，所以IBd霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量即学即用1判断下列说法的正误(1)传感器可以把非电学量转化为电学量( )2(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大( )(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低( )(4)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出( )2如图 1 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，电流表的读数_(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度_(填“变亮”或“变暗”)图 1答案 变小 变亮一、传感器导学探究
4、 干簧管结构：如图 2 所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图 3 电路，当条形磁铁靠近干簧管时：图 2 图 3(1)会发生什么现象，为什么？(2)干簧管的作用是什么？答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器知识深化1传感器的原理 非 电 学 量 传 感 器 敏 感 元 件 、 转 换 器 件 、 转 换 电 路 电 学 量2在分析传感器时要明确(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量；(3)是如何显示或控制开关的例 1 如图 4 是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置其中电
5、源电压保持不变， R 是滑3动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端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若将电压表分别接在 b、 c 之间与 c、 d 之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？图 4答案 见解析解析 把电压表接在 b、 c 之间，油量增加时， R 减小，电压表的示数减小；油量减少时， R增大，电压表的示数增大把电压表接在 c、 d 之间，油量增加时， R 减小，电路中电流增大，则 R两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小二、光敏电阻导学探究 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如
6、图 5 所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中 R1为光敏电阻， R2为定值电阻此光电计数器的基本工作原理是什么？图 5答案 当光被产品挡住时， R1电阻增大，电路中电流减小， R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次例 2 (多选)如图 6 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( )图 6A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答案 ABC4解析 当入射光强度增大时， R3阻值减小，外电路总电阻随 R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大， R1两端电压增大
7、，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 项正确三、热敏电阻和金属热电阻导学探究 如图 7 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？图 7答案 由于酒精蒸发，热敏电阻 RT温度降低，电阻值增大，表针将向
8、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，表针将向右偏例 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 8 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 为电 容器当环境温度降低时( )图 8A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消耗的功率增大答案 AB解析 当环境温度降低时， R2变大，电路的总电阻变大，由 I 知 I 变小，又ER总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
9、；电容器两板间的电压 U2 U U1， U1 IR1，可知 U1变小， U2变大，由场强E ， Q CU2可知 Q、 E都增大，故 A 正确，C 错误U2d5含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤1明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强度)的增加是增大还是减小2分析整个回路的电阻的增减、电流的增减3分析部分电路的电压、电流如何变化四、霍尔元件导学探究 如图 9 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.图 9(1)分析为什么会出现电压(2)试推导 UH的表达式答案 (1)薄片中的载流子在洛伦
10、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 间电势差达到稳定即 q qvBUHl2再根据电流的微观表达式 I nqvS， S l2d整理得： UHIBnqd令 k ，其中 n 为材料单位体积的载流子的个数， q 为单个载流子的电荷量，它们均为常1nq数则有 UH k .IBd知识深化霍尔电势高低的判断方法：利用左手定则，即磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子
11、是负电荷，则拇指所指的面为低电势面例 4 如图 10 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、下表面的电势的关系(上板为 M，下板为 N)是( )6图 10A M NB M NC M N.故选 A.1(对传感器的理解)在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是( )A光传感器 B温度传感器C声传感器 D磁传感器答案 A2(光敏电阻的特性)如图 11 所示的电路中，电源两端的电压恒定，L 为小灯泡， R 为光敏电阻， R 和 L 之间用挡板(未画出)隔开，LED 为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R 与 LED 间距不变
12、，下列说法中正确的是( )图 11A当滑动触头 P 向左移动时，L 消耗的功率增大B当滑动触头 P 向左移动时，L 消耗的功率减小C当滑动触头 P 向右移动时，L 消耗的功率可能不变D无论怎样移动滑动触头 P，L 消耗的功率都不变答案 A解析 滑动触头 P 左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发7光增强，使光敏电阻 R 减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果3(热敏电阻的特性)如图 12 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( )图 12A 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小灯泡的亮度变弱答案 C解析
13、 R2与灯泡 L 并联后与 R1串联，然后与电流表、电源构成闭合电路，当热敏电阻 R2温度降低时，它的电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小， R1两端电压减小，灯泡 L两端电压增大，灯泡亮度变强，故 C 正确，A、B、D 均错误4(霍尔元件的认识及应用)(多选)如图 13 所示是霍尔元件的示意图，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( )图 13A电势 a bB电势 b aC仅电流增大时，| a b|增大D其他条件不变，将铜板改为 NaCl 溶液时，电势结果仍然一样答案 BC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 a 侧偏转，所以 b a，B 正确，A 错误；因| a b| k，所以电流增大时，| a b|增大，C 正确；若将铜板改为 NaCl 溶液，溶液中的正、负IBd离子均向 a 侧偏转，| a b|0，即不产生霍尔效应，故 D 错误
