1、第六章 传 感 器 1 传感器及其工作原理,一、传感器 1.定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分 等_量,并能把它们按照一定的规律转换为电 压、电流等_量,或转换为电路的_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_、传输、处理和_。,非电学,电学,通断,测量,控制,二、光敏电阻 1.特点:光照越强,电阻_。 2.原理:无光照时,载流子少,导电性能_;随着 光照的增强,载流子_,导电性_。 3.作用:把_这个光学量转换为_这个 电学量。,越小,不好,增多,变好,光照强弱,电阻,三、热敏电阻和金属热电阻,减小,增大,大,温度,电阻,四、霍尔元件 1
2、.构造:很小的矩形半导体薄片上,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_这个磁学量转换为_这个电学量。,磁感应强度,电压,【思考辨析】 (1)传感器可以把非电学量转换为电学量。 ( ) (2)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化,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)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。 ( ) (5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻
3、这个电学量。 ( ),提示:(1)。传感器可以把非电学量转换为电学量。 (2)。光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化,但光照越强,电阻越小,导电能力越强。 (3)。热敏电阻是用半导体材料制作的,导电能力随温度的升高而增强,且灵敏度高。,(4)。金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大,即导电能力减弱。 (5)。热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。,【生活链接】 大型的数字型电子汽车衡是应用什么传感器称量汽车的重量的?,提示:数字型电子汽车衡是采用当今世界先进的数字式称重传感器和数字式称重显示仪及各种外配设备而设计的全电子模块化汽车称重系统。,知识点一 对传感器的认识 探究导入
4、: 当人们走近和离开一些宾馆或商场的自动门时,门会自动开关,这就是传感器在起作用。 (1)传感器由哪几部分组成? (2)传感器是如何工作的?,提示:(1)传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路组成。 (2)传感器将非电学量通过敏感元件、转换元件和转换电路转变为电学量。,【归纳总结】 1.传感器的组成和工作流程: (1)传感器的组成。 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。,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。 转换电路:将转换元件输出的不易测量的电学量转换
5、成易于测量的电学量,如电压、电流、电阻等。,(2)传感器的工作流程。,2.传感器的原理:传感器感受的通常是非电学量,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的,通常需要经过放大后,再传送给控制系统产生各种控制动作。,【典题通关】 【典例】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲中，电源的电动势E=9.0 V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R-t图线所示，闭合开关，,当R的温度等于1
6、20 时，电流表示数I1=3 mA，求：,(1)电流表G的内阻Rg。 (2)当电流表的示数I2=1.8 mA时,热敏电阻R的温度。,【审题关键】,【正确解答】(1)由图乙知热敏电阻R的温度在120 时,电阻为2 k,闭合电路的电流为I1=3 mA 根据闭合电路欧姆定律得: Rg=,(2)当电流表的示数I2=1.8 mA时 R= 由图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 时的温度 为20 。 答案:(1)1 000 (2)20 ,【过关训练】 1.(2018德州高二检测)通常当人走向银行门口时, 门就会自动打开,是因为门上安装了下列哪种传感 器 ( ) A.温度传感器 B.压力传感器 C.红外线传
7、感器 D.声音传感器,【解析】选C。人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线传感器,从而能感知红外线,导致门被打开。,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。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”)。,【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,电路中电流发生变化,从而引起R两端电压的变化,所以电压表应接在c、d之间,当油量减少时,电压表
8、示数将减小。 答案:c、d 减小,【补偿训练】 1.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,所以其原理应该是利用了生物酶,故应为生物传感器,所以C对。,2.传感器是把非电学量(如温度、速度、压力等)的变化转换为电学量变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。如图是一种测量液面高度h的电容式传感器的示意图。电容C大小的变化就能反映液面的升降情况。关于两
9、者关系的说法中正确的是 ( ),A.C增大表示h减小 B.C减小表示h增大 C.C减小表示h减小 D.C的变化与h变化无直接关系,【解析】选C。C增大表示电容器的正对面积变大,h增大,C减小表示h减小,故C正确。,知识点二 对敏感元件的认识 探究导入: 传感器的核心元件是敏感元件,请思考: (1)敏感元件在传感器中起什么作用? (2)生产、生活中有哪几类敏感元件?,提示:(1)传感器的主要作用是感受光、声音、温度、磁场等非电学量,并把它们转换为便于测量、传输、处理和控制的电学量。 (2)生产、生活中常见的敏感元件有光敏电阻、力敏元件、磁敏元件、气敏元件、温敏元件等。,【归纳总结】 1.光敏电阻
10、:光敏电阻一般由半导体材料制成,当半导体材料受到光照时,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,于是导电性能明显增强。光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小。,2.热敏电阻和金属热电阻的特点: (1)热敏电阻:指用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图线所示为某热敏电阻的电阻温度特性曲线。,(2)金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线所示,这样的电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,但相比而言,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好。,3.霍尔元件: (1)电场的产生:运
11、动的载流子在洛伦兹力作用下在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场。,(2)电压的形成:横向电场对载流子施加与洛伦兹力方 向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导 体板两侧会形成稳定的电压,UH= 。UH与B成正比是 霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。,【典题通关】 考查角度1 对光敏电阻的认识 【典例1】如图所示,将一光敏电阻接在多用电表两表 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,表针自左向右的偏角为;现用手掌挡住部 分光线,表针自左向右的偏角为,则可判断 ( ),A.= B. D.不能确定,【正确解答】选B。光敏电阻的阻
12、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,由欧姆挡的特点知,指针左偏,故指针自左向右的偏转角度变小。故选B。,考查角度2 热敏电阻在电路中的应用 【典例2】如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻),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,【正确解答】选C。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电阻值增大,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
13、小,故只有C正确。,【过关训练】 1.许多楼道灯具有这样的功能,天黑时,出现声音就开启,而在白天时,即使有声音它也没有什么反应。它的控制电路中接入的两个传感器是 ( ) A.温度传感器和声传感器 B.温度传感器和力传感器 C.光传感器和力传感器 D.光传感器和声传感器,【解析】选D。楼道照明灯天黑时,出现声音它就开启;而在白天,即使有声音它也没有反应。原因是天黑没有光,则声音传感器起作用,而在白天声音传感器不起作用,所以电路中光传感器安装在声音传感器之前。,2.(多选)(2018榆林高二检测)如图所示的电路中,当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时,电流表示数增大,则说明 ),A.在温度越高
14、时,热敏电阻阻值越小 B.在温度越高时,热敏电阻阻值越大 C.半导体材料温度升高时,导电性能变差 D.半导体材料温度升高时,导电性能变好,【解析】选A、D。由电流表的变化判断半导体的电阻的变化,温度升高时,由闭合电路欧姆定律可知电路中总电流增大,则总电阻减小,则热敏电阻阻值减小,故A、D正确。,【补偿训练】 1.霍尔元件能转换的物理量是 ( ) A.把温度这个热学量转换成电阻这个电学量 B.把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量 C.把力这个力学量转换成电压这个电学量 D.把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量,【解析】选B。根据霍尔元件工作原理,载流子在洛伦兹力作用下漂移,形成霍尔电压
15、,所以,它将磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故B正确。,2.(多选)如图所示RT为正温度系数热敏电阻,R1为光敏 电阻,R2和R3均为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r, V为理想电压表,现发现电压表示数增大,可能的原因 是( ),A.热敏电阻温度升高,其他条件不变 B.热敏电阻温度降低,其他条件不变 C.光照增强,其他条件不变 D.光照减弱,其他条件不变,【解析】选B、D。RT为正温度系数热敏电阻,热敏电阻温度降低时,阻值变小,其他条件不变,电路的总电阻减小;根据欧姆定律可知电路的总电流增大,路端电压变小,R2两端的电压变大,R1两端的电压变小,通过R1的电流减小,则通过R3的电流
16、增大,电压表示数增大,A错误,B正确。光照减弱时,光敏电阻的阻值变大,其他条件,不变,电路的总电阻增大;根据欧姆定律可知总电流减小,路端电压变大,R2两端的电压减小,并联部分两端的电压变大,通过R3的电流增大,电压表示数增大,故选项C错误,D正确。,【拓展例题】考查内容:霍尔元件的分析 【典例】(多选)如图是霍尔元件的工作原理示意图, 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, UH将变大 B.在测定地球两极的磁场强弱时,
17、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,【正确解答】选A、B、D。将永磁体的磁极逐渐靠近霍 尔元件的工作面时,B增大,I恒定,由公式UH= 知UH将 变大,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垂直工作面的大小发生变化,UH将发生变化,选项D正确。,科学技术社会环境传感器的
18、工作原理 【命题素材】 传感器在现代社会我们的日常生活中是很常见的一种设备,它是一种感知元件,它通常能把非电学量(如力、光等)的变化,转换为电学量(如电流、电压等)的变化或电路的通断,它在自动控制中有着广泛的应用。,【信息提取流程】 1.信息定位:传感器的作用。 2.物理模型:传感器。 3.物理知识:传感器是怎样把非电学量(如力、光等)的变化,转换为电学量(如电流、电压等)的变化,或电路的通断。 4.结果讨论:传感器的工作原理。,【案例示范】(多选)传感器是指这样一类元件,它通常能把非电学量(如力、光等)的变化,转换为电学量(如电流、电压等)的变化或电路的通断,它在自动控制中有着广泛的应用。关于制作传感器需要的元器件,下列说法正确的是 ( ),A.热敏电阻能够把温度的变化转换为其阻值的变化 B.金属热电阻能够把温度的变化转换为其阻值的变化 C.光敏电阻能够把光照强弱的变化转换为其阻值的变化 D.所有传感器都是由半导体材料制作的,【解析】选A、B、C。热敏电阻、金属热电阻、光敏电阻等都是把温度或光照强度的变化转换为其阻值的变化,从而实现电路中电流或电压的变化的,故A、B、C都是正确的;而并非所有的传感器都是由半导体材料制成的,半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料都可以用来制作传感器,故D错误。,
