高中物理： 认识传感器

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
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？
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．
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．
(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．
(3)作用：把磁感应强度这个磁学量转换为 电压 这个电学量.
考点一 传感器的工作原理
1．传感器 传感器能够感受诸如位移、力、温度、光、声、化学成分 等非电信息，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流、 电阻等电信息，或转化为电路的通断．传感器是通过测量外界 的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的 非电信息转换成电信息的装置．
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．
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．
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．
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.
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.
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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．
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．
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．
1．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．
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 )
(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”)．
2．传感器的基本原理 传感器感受的通常是非电信息，而它输出的通常是电信 息，不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大 后，再输送给控制系统产生各种控制动作．其工作过程可由下 图表示．
(1)非电信息：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓 度、酸碱度等．
(2)敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能 直接感受被测量的非电信息并将其转换成与被测量的非电信息 有一定关系的易于测量的物理量．
常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等.
【例2】 如图所示的电路中，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的距离不变，下列说法正确的是( A )
A．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率增大 B．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率减小 C．当滑片P向右移动时，灯泡消耗的功率可能不变 D．无论怎样移动滑片P，灯泡消耗的功率都不变
总结提能 对于光敏电阻、热敏电阻与电路相结合的试 题，首先要掌握阻值随光照或温度变化的情况，其次要会应用 闭合电路或部分电路欧姆定律分析电路中的电流、电压、功率 的变化情况．
如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将
电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻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 左 (选填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电 阻，表针将向 右 (选填“左”或“右”)移动．
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.
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.
【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