高中物理《传感器及其工作原理》学案11（新人教版选修3-2）

111第六章 传感器第一节 传感器及其工作原理【知能准备】传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、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，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换_信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。常见的传感器有：_、_、_、_、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。常见传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把_这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而_，用金属丝可以制作_。它能把_这个热学量转换为_这个电学量。热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而_或_。与热敏电阻相比，金属热电阻的_好，测温范围_，但_较差。（3）电容式位移传感器能够把物体的_这个力学量转换为_这个电学量。OTR（4）霍尔元件能够把_这个磁学量转换为电压这个电学量【同步导学】一、疑难分析1光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照射时，载流子极少，导电性能能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。图12热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图1为某一热敏电阻温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。3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。金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大。UBCDEFI4霍尔元件：如图2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C、D、E、F，就制成为一个霍尔元件。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。 霍尔电压： 其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。二、方法点拨图2霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，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，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.设图中CD方向长度为L2，则： 根据电流的微观解释 Inqsv ， 整理后，得： 令 ，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：三、典型例题：图3例1如图3所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt上擦一些酒精，表针将向_（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向_（填“左”或“右”）移动。 解析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。左，右。例2传感器是一种采集信息的重要器件。如图4所示是一种测定压力的电容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ）图4A当F向上压膜片电极时，电容将减小B当F向上压膜片电极时，电容将增大C若电流计有示数，则压力F发生变化D若电流计有示数，则压力F不发生变化解析：当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F发生了变化。 答案：BC图5例3如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为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，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？（此题描述的是著名的霍尔效应现象）解析：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判断电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U。LR图6当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即q=qvB又因为导体中的电流IneSvnevbd故U答案：下表面电势高 电势差为例4如图6所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图，R是金属热敏电阻（温度升高，电阻增大；温度降低后电阻减小），L是消磁线圈，试说明此电路的工作过程。解析：打开彩色电视接收机的时候，消磁电路同时接通，热敏电阻温度低，处于冷状态，其电阻值很小，又由于消磁线圈电阻值也很小，所以有很大的电流通过消磁线圈，这个大电流产生很强的磁场作用于显像管上，达到给显像管消磁的目的。对显像管的消磁过程时间很短，因此完成消磁后必须切断消磁线圈的电流，电压不能加在消磁线圈上，这一过程产生的电功率很大，使热敏电阻的温度升高，导致热敏电阻的阻值很大，在热敏电阻上产生的电功率减小，使热敏电阻（后来随着热敏电阻的温度降低，其电阻值减小，但是这时消磁线圈的电压不再加上，是由热敏电阻内部的装置控制的）的阻值减小。同步检测：1简单的说，光敏电阻就是一个简单的_传感器，热敏电阻就是一个简单的_传感器。2为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为_传感器，它输入的是_信号，经传感器转换后，输出的是_信号。3如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（ ）Ah增大 Bh减小 Ch不变 D无法确定第4题R1R2第3题图54如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ）AR1两端的电压增大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5如图所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的。第5题综合评价：1关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）A光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量B硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好C硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好D半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好2霍尔元件能转换哪两个量（ ）A把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量C把力转换为电压这个电学量D把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量如图所示是测定位移的电容式传感器，其工作原理是哪个量的变化，造成其电容的变化（ ）A电介质进入极板的长度第3题B两极板间距C两极板正对面积第4题R2R1R3D极板所带电量如图所示，、为定值电阻，是小灯泡，为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）A电压表的示数增大B中电流减小C小灯泡的功率增大第5题R3R4R1R2D电路的路端电压增大5如图所示，是光敏电阻，当开关闭合后在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻时，则（ ）A的电阻变小，a点电势高于b点电势B的电阻变小，a点电势低于b点电势C的电阻变小，a点电势等于b点电势D的电阻变大，a点电势低于b点电势6有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（ ）A金属导体 B绝缘体 C半导体 D超导体7如图是观察电阻值随温度变化情况示意图。现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是（ ）A如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显第7题C如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化非常明显D如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化不明显8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（ ）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，霍尔元件的工作面应保持水平第8题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9如图所示宽度为d，厚度为h的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当有电流I通过金属板时，在金属板上侧面A和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应，若金属板内自由电子密度为n，则产生的电势差U_第9题参考答案：知能准备1非电学量，电学，电压、电流，光学传感器、热学传感器、色标传感器，加速度传感器，2（1）光照强弱，（2）增大，温度传感器，温度，电阻，（3）位移，电容，（4）磁感强度。同步检测：1光电 热电 2声控 声音 电 3A 4C5角度增大，正对面积减小，电容器电容变小综合评价：1、ABD 2、B 3、A 4、ABC 5、A 、C 7、C 8、ABD 9、111