高中物理 第6章 1 传感器及其工作原理学案 新人教版选修3-2

1 传感器及其工作原理
[学习目标] 1.了解传感器的定义，感受传感器的应用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．(重点) 3.了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及作用．(重点、难点)
一、传感器
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．
3．注意
(1)传感器的发展十分迅速，其品种已达数万种，我们学习了解的只是最基本的几种而已．
(2)不能认为传感器输出的一定是电信号．
二、光敏电阻
1．特点：光照越强，电阻越小．
2．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，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．
三、热敏电阻和金属热电阻
1．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线．
甲乙
2．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，称为热电
阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线． 3．热敏电阻与金属热电阻的区别 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化而变化且非常明显 电阻率随温度的升高而增大
制作材料 半导体 金属导体
优点
灵敏度好 化学稳定性好，测温范围大 作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．
四、霍尔元件
1．构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)
薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件．
2．工作原理：在E 、F 间通入恒定的电流I, 同时外加与薄片
垂直的磁场B ，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，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，称为霍尔电压U H .
3．霍尔电压：U H ＝k IB d .
(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关．
(2)一个霍尔元件的d 、k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比．
4．作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．
[说明] 霍尔电压的推导
设上图中MN 方向长度为l 2，则q U H l 2＝qvB .
根据电流的微观解释，I ＝nqSv ，
整理后，得U H ＝IB nqd
. 令k ＝1nq
，则U H ＝k IB d . U H 与B 成正比，因此霍尔元件能把磁学量转换成电学量．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的．
(×) (2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件．
(√) (3)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大．
(×)
(4)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．(×)
(5)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比．(√)
2．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度地减小，则这种元件使用的材料可能是( ) A．金属导体B．绝缘体
C．半导体D．超导体
C [金属导体的电阻随温度的升高而增大，超导体的电阻几乎为零，半导体(如热敏电阻)的阻值随温度的升高而大幅度地减小．]
3．关于传感器及其作用，下列说法正确的是( )
A．传感器一定是把非电学量转换为电学量
B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器
C [传感器是指一种元件或装置，它能感受力、温度、光、声、磁、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；其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量，找出非电学量和电学量之间的对应关系．电磁感应是原理，不是元件和装置，不能称为传感器．]
传感器的原理和分类
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等．
(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出．
(3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等．
2．传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作原理如下所示：
非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量
3．分类
工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感压电传感器、温度传感器、光电传
知并检测出待测对象信息感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等
生物传感器利用生物化学反应识别和检测信号酶传感器、组织传感器、细胞传感器等
【例1】全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是
确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，
某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．如图所示，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．该同学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，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，U R＝IR可视为U R与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大．
[答案] b、c增大
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．
1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是( )
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
D [在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B错误；在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确．]
验证光敏电阻和热敏电阻的特性
(1)实验器材：热敏电阻、烧杯(备有冷、热水)、温度计、铁架台、多用电表、开关、导线．
(2)实验步骤
①如图所示，将一个热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻，记录温度、电阻值；
②将热敏电阻放入装有少量冷水并插入温度计的烧杯中，记录温度、电阻值；
③分几次向烧杯中倒入热水，观察不同温度下热敏电阻的阻值；
④根据实验数据说明热敏电阻随温度变化的情况．
(3)实验结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，而且阻值的变化是非线性的．
2．光敏电阻特性验证实验设计
(1)实验器材：光敏电阻、多用电表、导线、开关．
(2)实验步骤
①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接，测光敏电阻值如
图所示；
②手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，再测光敏电
阻的阻值；
③全部挡住光线，再测光敏电阻的阻值．
(3)实验结论：光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大，而且阻值的变化是非线性的．
【例2】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中，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R g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R­t图线所示，闭合开关，当R的温度等于120 ℃时，电流表示数I1＝3 mA，求：
甲乙
(1)电流表G的内阻R g；
(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时，热敏电阻R的温度．
[解析](1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时，电阻为2 kΩ，闭合电路的电流为I1＝3 mA
根据闭合电路欧姆定律得：
R g＝E
I1－R＝(
9
3×10－3
－2×103) Ω＝1 000 Ω.
(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时
R＝E
I2－R g＝(
9
1.8×10－3
－1×103) Ω＝4 000 Ω
由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 Ω时的温度为20 ℃
[答案] (1)1 000 Ω(2)20 ℃
2.(多选)如图所示，R 1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏
电阻，当照射光强度增大时( )
A．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
ABC [当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而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，C项正确．]
霍尔效应的应用
体材料是电子型还是空穴型．半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法．
2．利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁感应强度，测量直流和交流电路中的电流和功率，转换信号，如把直流转换成交流并对它进行调制，放大直流或交
流信号等．
【例3】(多选)如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该
元件中电流I由正电荷的定向运动形成．下列说法正确的是( )
A．M点电势比N点电势高
B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
D．若保持电流I恒定，则霍尔电压U H与B成正比
BCD [当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压U H＝k
IB
d
，保持电流I恒定时，霍尔电压U H与B成正比，选项D正确．]
3.(多选)如图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( )
A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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
ABD [一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由U H＝k
IB
d
，知U H将变大，A正确；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，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；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，D正确．]
课堂小结知识脉络
1.传感器按照一定的规律把非电
学量转化为电学量，可以很方便
地进行测量、传输、处理和控制．
2．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．
3．热敏电阻和金属热电阻能把温
度这个热学量转换为电阻这个电
学量．
4．电容式位移传感器能把物体位
移这个力学量转换为电容这个电
学量．
5．霍尔元件能把磁感应强度这个
磁学量转换为电压这个电学量.
1．传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是( )
A．将力学量(如形变量)转换成磁学量
B．将电学量转换成热学量
C．将光学量转换成电学量
D．将电学量转换成力学量
C [传感器是指能够感受诸如力、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控制电路的通断的一类元件，故只有C项正确．]
2．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是( )
A．金属导体B．光敏电阻
C．NTC热敏电阻D．PTC热敏电阻
C [金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C正确，A、B、D错误．]
3．关于传感器的下列说法正确的是( )
A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的
B．金属材料也可以制成传感器
C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
B [半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以选项A错误，选项B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化，所以选项C错误．]
4．(多选)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示)，它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”．关于干簧管，
下列说法正确的是( )
A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D．干簧管接入电路中相当于开关的作用
CD [当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化相互吸引而接通，故选项B错误，选项C正确；当磁体远离干簧管时，软磁性材料制成的簧片失去磁性，所以两簧片又分开，因此干簧管在电路中相当于开关的作用，选项A错误，选项D正确．]
5．(多选)有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是( )
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻
AC [热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误．]。