高中物理： 认识传感器

提示：无人机上应该有能感知速度、加速度、角速度、距 离、力、光照等物理量的传感器．
2．干簧管 结构：如图，它只是玻璃管内封入的两个 软磁性材料 制 成的簧片．
作用：在电路中起到 开关 感知磁场 的传感器．
的作用，它是一种能够
3．光敏电阻 (1)特点：光照越强，电阻 越小 ． (2)原因：无光照时，载流子少，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．
因为同一材料单位体积内载流子的个数n、单个载流子的 电荷量q均为定值，令k＝n1q，所以
UH＝kIdB(霍尔电压)． 注意：载流子根据霍尔材料的不同而不同，其中金属导体 的载流子为电子，而半导体的载流子因材料不同而不同．
1.霍尔电压UH＝k
IB d
中，k为霍尔系数，其大小与薄片的材
料有关.
2.判断电势的高低时要注意载流子是正电荷还是负电荷.
2．[多选]下列说法正确的是( ABD )
A．传感器担负着信息采集的任务 B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器 C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件 D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号 的主要工具
解析：传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管是由平行 不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它靠近磁场时被磁 化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对．
1．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 的元件．
(2)传感器的原理： 传感器
非电学量 ―→ 敏感元件、转换器件、转换电路 ―→ 电学量
现今，无人机已进入实用阶段，你猜想无人机上应该有哪 些传感器？
关于传感器的下列说法正确的是( B )
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
解析：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A错，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，所以C错．
2．热敏电阻和金属热电阻 (1)热敏电阻
①热敏电阻一般是用半导体材料制成的，其电阻值随温度 的变化非常明显．如图所示为某一热敏电阻的电阻－温度特性 图线．
②热敏电阻的两种型号及其特点 热敏电阻是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．在其工 作温度范围内，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC) 热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热 敏电阻．常用的是负温度系数热敏电阻． (2)金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可 以制成温度传感器，称为热电阻． 注意：与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测 温范围大，但灵敏度较差．
解答本题的关键是弄清以下两点：
(1)要判断M点电势与N点电势的高低，需要用左手定则判
断正电荷在洛伦兹力作用下运动的方向；
(2)掌握霍尔电压的公式UH＝k
IB d
并理解各个物理量的含
义．
【解析】 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
解答本题时，可按以下思路分析：
变阻器的 连接方式
―→
电阻 变化
―→
电流 变化
―→
电压 变化
【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，所以电压表接 在b、c之间，当油量减少时，电压表示数将增大．
总结提能 (1)各类传感器工作原理虽不完全相同，但都是 把非电学量转换为电学量．
解析：楼道内的电灯是声控的，通过声音控制把声信号转化 为电信号．
考点二 光敏电阻 热敏电阻和金属电阻
1．光敏电阻 (1)作用 光敏电阻在被光照射时电阻会发生变化，这样光敏电阻可 以把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量． (2)变化特点 光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照 射时，电阻发生变化．原因是无光照时，载流子极少，导电性 能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性增强．
4．热敏电阻和金属热电阻
日常生活中哪些用电器是利用热敏电阻、光敏电阻实现自 动控制的？
提示：利用热敏电阻的有：冰箱启动器、电饭锅等；利用 光敏电阻的有：照相机、光控开关、报警器、验钞机等．
5．霍尔元件
(1)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：如图所示，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＝kIdB.
(3)转换元件：通常不能直接感受被测量的非电信息，而是 将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．
(4)转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的 电信息．
(5)电信息：如电压、电流、电阻等．
【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，为了模仿汽 车油表原理，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．小阳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__b__、__c __(选填“a、 b”“b、c”或“c、d”)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__增__大____(选填“增大”或 “减小”)．
【例3】 [多选]霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感 器，已发展成为品种多样的磁传感器品族，得到广泛的应 用．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( BCD)
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UH与B成正比
(2)传感器输出的电学量有电流、电压及电路通断等多种形 式．
(3)解此类问题的基本思路： 分析电路结构→研究电阻的变化→判断(计算)电流、电压 的变化．
为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控 制电灯的电路相接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即 与电源接通而发光，这种传感器为 声电 传感器，它输入的是 声 信号，经传感器转换后，输出的是 电 信号．
1.光电传感器,光电传感器是一种能感受光信号，并按照一 定规律把光信号转换成电信号的器件或装置.
常见的光电传感器除了光敏电阻外，还有光敏晶体管、光 电二极管、光电三极管等，它们都是利用某些物质在光照射下 电学特性随之变化的性质制成的.
2.温度传感器,温度传感器是一种能将温度变化转换成电学 量变化的装置.它通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来 实现温度的测量.
A．为提高控制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、 S极
B．按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快 C．图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出控制车速的霍尔 电压 D．若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调， 将影响车速控制
解析：由于在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压，形 成电流，当永久磁铁的上、下端分别为N、S极时，磁场方向与 电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，则霍尔器件 不能输出控制车速的霍尔电压，故A错误；当按图甲顺时针转动 电动车的右把手，霍尔器件周围的磁场增强，则霍尔器件输出 控制车速的霍尔电压增大，因此车速将变快，故B正确；根据题 意，结合图乙的示意图，则永久磁铁的N、S极可能在左、右侧 面，或在前、后表面，因此从霍尔器件输出控制车速的霍尔电 压，不一定在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后面，故C 错误；当霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，从 霍尔器件输出控制车速的霍尔电压正负号相反，由图丙可知， 不会影响车速控制，故D错误．
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．
考点三 霍尔元件
1．霍尔元件 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，它就成了一个霍尔元件．
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．
2．霍尔电压 如上图所示，在E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片 垂直的磁场B，则薄片中的载流子同时受到电场力和磁场力的 作用．当电场力与磁场力平衡时，M、N间电势差达到恒 定．设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，则 qUl2H＝qvB. 又因为电流的微观表达式为I＝nqSv，所以UH＝nIqBd.
解答本题的基本思路如下：
【解析】 当滑片P向左移动时，滑动变阻器接入电路的电 阻减小，流过发光二极管的电流增大，发光二极管发出的光增 强，光敏电阻的阻值减小，流过灯泡的电流增大，灯泡消耗的 功率增大，选项A正确，B错误；当滑片P向右移动时，发光二 极管所在支路的电阻增大，电流减小，发光二极管发出的光减 弱，光敏电阻的阻值增大，流过灯泡的电流减小，灯泡消耗的 功率减小，选项C、D错误．
B、C正确；因霍尔电压UH＝k
IB d
，保持电流I恒定时，霍尔电压
UH与B成正比，选项D正确．
总结提能 霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与 薄片垂直的磁场时，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下 向着与电流和磁场方向都垂直的方向漂移，在两极上形成电压 (霍尔电压)．
电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通 过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于 传感器非接触控制．转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面 如图甲．开启电源时，在霍尔器件的上、下面之间加一定的电 压，形成电流，如图乙．随着转把的转动，其内部的永久磁铁 也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的电压，已知电压与车 速关系如图丙．以下关于“霍尔转把”叙述正确的是( B )