高中物理 第六章 传感器 1 传感器及其工作原理学案 新人教版选修3-2.doc
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1 传感器及其工作原理[目标定位] 1.知道什么是传感器，理解传感器的工作原理.2.掌握制作传感器的常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等的基本特性及工作原理.3.初步掌握各种常用元件的简单应用.一、传感器1.定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断.2.工作原理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：将转换元件输出的不易测量的非电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等.深度思考传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用？答案传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.例1传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图1中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成.图1压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示.设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V ，取g ＝10 m/s 2.请回答：压力F /N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 … 电阻R /Ω300270240210180150120…(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘______A 处.(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA ，则这个人的体重是_____ kg. 答案 (1)1.6×10－2(2)50解析 (1)由题图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R ＝300 Ω，此时A 中电流I ＝U R ＝4.8300A ＝1.6×10－2A.(2)当电流I ＝20 mA ＝20×10－3A 时，压力传感器的电阻R ＝U I ＝ 4.820×10－3Ω＝240 Ω，对应表格中，这个人的体重为50 kg.传感器问题的分析思路不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化.因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化.二、光敏电阻1.特点电阻值随光照增强而减小. 2.原因分析光敏电阻由半导体材料制成，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.3.作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.例2 如图2所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )图2A.电压表的示数增大B.R 2中电流减小C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大解析当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误；由路端电压减小，R1两端电压增大知，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，则小灯泡的功率增大，故C 项正确.答案ABC三、热敏电阻和金属热电阻氧化锰热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度升高而减小电阻率随温度升高而增大制作材料半导体金属优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用把温度这个热学量转换为电阻这个电学量热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小？答案不是.正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小.例3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3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3A.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消耗的功率增大解析当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U 增大，B 正确；又由P 1＝I 2R 1可知，R 1消耗的功率P 1变小，D 错误；电容器两板间的电压U 2＝U －U 1，U 1＝IR 1，可知U 1变小，U 2变大，由场强E ′＝U 2d，Q ＝CU 2可知Q 、E ′都增大，故A 正确，C 错误. 答案 AB解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题： ①明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性； ②解题思路：R 局⎩⎪⎨⎪⎧增大减小→R 总⎩⎪⎨⎪⎧增大减小→I 总⎩⎪⎨⎪⎧减小增大→U 端⎩⎪⎨⎪⎧增大减小→⎩⎪⎨⎪⎧I 分的变化U 分的变化四、霍尔元件1.构造在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件. 2.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4所示).图43.作用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. 深度思考如图4所示，霍尔元件中M 、N 间的电压U H 如何计算？(在图中设E 、F 间通入的电流恒为I ，外加磁场为B ，薄片厚度为d ，单位体积内载流子数为n ，单个载流子所带电荷量为q ) 答案 该霍尔元件中的载流子受到磁场力作用发生偏转，造成半导体内部出现电场.载流子同时受到电场力作用.当磁场力与电场力平衡时，MN 间电势差达到稳定，且有q U HL＝qvB (L 为MN 之间的宽度)① 再根据电流的微观解释I ＝nqSv ②S ＝Ld ③由①②③整理后，得U H ＝IB nqd. 令k ＝1nq ，所以U H ＝k IB d.例4 如图5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？图5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与洛伦兹力平衡时，有e Ub＝evB ，因为导体中的电流I ＝neSv ＝nev ·bd ，故U ＝IB ned答案 下表面电势高IB ned霍尔电势高低的判断方法：由左手定则判断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.1.(对传感器的理解)用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程.下列属于这类传感器的是( ) A.红外报警装置 B.走廊照明灯的声控开关C.自动洗衣机中的压力传感装置D.电饭煲中控制加热和保温的温控器答案 A解析遥控器是利用红外线传输信号的，故A项正确.2.(光敏电阻的特性)如图6所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，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，闭合开关S后，下列说法中正确的是( )图6A.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解析当滑动触头P向左移动时，使其电阻减小，则流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，则L消耗的功率增大，A正确，B、D 错误；当滑动触头P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误.3.(热敏电阻的特性)如图7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7A.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R2与灯泡L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，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，灯泡L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错.4.(霍尔元件原理分析及应用)(多选)如图8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，相对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证U H随B的变化情况.以下说法中正确的是( )图8A.增大穿过霍尔元件工作面的磁感应强度B 时，U H 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，U H 将发生变化 答案 ABD 解析 A B 增强，由U H ＝k IBd，知U H 将变大正确 B 地球两极处磁场可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平 正确 C赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直错误D 若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvB sin θ＝q U H d，可见θ变化时，U H 将变化 正确题组一 对传感器的理解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.改变电容答案 D解析 手靠近干手机后，使电容式传感器的电容改变，干手机内的电热器工作.2.传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件.如图1所示为一种电容式传感器，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( )图1A.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 答案 D解析 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 ＝Ud知场强变化，A 错误；由C ＝εr S4πkd 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.3.(多选)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置.由于电容器的电容C 取决于极板正对面积S 、极板间距离d 以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图2所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是( )图2A.甲图的传感器可以用来测量角度B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度C.丙图的传感器可以用来测量压力D.丁图的传感器只能用来测量速度 答案 ABC题组二 光敏电阻的特性4.如图3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θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为θ′，则可判断( )图3A.θ′＝θB.θ′＜θC.θ′＞θD.不能确定答案 B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.5.如图4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( )图4答案 B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地先减小后增大，但不会是零，所以选B.6.(多选)如图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.此光电计数器的工作原理是( )图5A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次答案AC解析光电计数器的工作原理：当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压变到低电压，就计一个数，从而达到自动计数的目的.题组三热敏电阻的特性7.(多选)如图6为电阻R随温度T变化的图线.下列说法中正确的是( )图6A.图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B.图线2的热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C.图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D.图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高答案BD解析金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错，B对；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错，D对.8.如图7所示是一个火灾报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料(负温度系数)制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )图7A.I增大，U增大B.I减小，U减小C.I减小，U增大D.I增大，U减小答案 B解析当R2所在处出现火情时，半导体热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路的欧姆定律可知：外电路的电压将减小，电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，R3两端的电压将减小，显示器的电流减小.故正确选项为B.9.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的.如图8甲所示，电源的电动势E＝9 V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻R g保持不变；R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是( )图8A.60 ℃B.80 ℃C.100 ℃D.120 ℃答案 D解析在20 ℃时，E＝(R g＋R1)I1，得R g＝500 Ω，设温度为t时，E＝(R g＋R2)I2，代入数据得R2＝2 000 Ω，从题图乙中可以看出t＝120 ℃，故选D.10.如图9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，发现小灯泡亮度变化是变暗，发生这一现象的主要原因是( )图9A.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答案 C解析电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻丝的电阻也增大，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.题组四霍尔元件原理分析及应用11.(多选)如图10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10A.电势φa ＞φbB.电势φb ＞φaC.电流增大时，|φa －φb |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 AC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φa ＞φb ，A 对，B 错；因|φa －φb |＝k IB d，所以电流增大时，|φa －φb |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，|φa －φb |＝0，即不产生霍尔效应，故D 选项错误.12.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图11所示的流量计.该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a 、b 、c ，左右两端开口.在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B 的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极.污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U .若用Q 表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是( )图11A.若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B.若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大D.污水流量Q 与U 成正比，与a 、b 无关答案 D解析 由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势升高，同理负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势低，故A 、B 错误.设前、后表面间的最高电压为U ，则qUb＝qvB ，所以U ＝vBb ，由此可知U 与离子浓度无关，故C 错误.因Q ＝vbc ，而U ＝cBb ，所以Q ＝Uc B ，D 正确.13.一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q ＝1.6×10－19 C ，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等.在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽L ab ＝1.0×10－2 m 、L bc ＝4.0×10－2 m 、厚h ＝1×10－3 m ，水平放置在竖直方向上的磁感应强度B ＝1.5 T 的匀强磁场中，bc 方向通有I ＝3.0 A的电流，如图12所示，沿宽度产生1.0×10－5 V 的横向电压.图12(1)假定载流子是电子，a 、b 两端中哪端电势较高？(2)薄板中形成电流I 的载流子定向运动的速率多大？答案 (1)a (2)6.7×10－4 m/s解析 (1)根据左手定则可确定a 端电势高.(2)当导体内由于载流子沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，导体横向电压稳定.设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为v ，横向电压为U ab ，横向电场强度为E ，电场力为F e ＝eE ＝eU ab L ab ，磁场力F B ＝evB ，平衡时U ab L ab e ＝evB ， 得v ＝U ab L ab B ≈6.7×10－4 m/s.。
