傳感器及其工作原理

1、1傳感器及其工作原理學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)1了解傳感器的定義，感受傳感器的應(yīng)用技術(shù)在信息時(shí)代的作用與意義2知道將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的意義(重點(diǎn))3了解光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件的性能、工作原理及作用(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 自 主 預(yù) 習(xí)·探 新 知知識(shí)梳理一、傳感器1傳感器的定義能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等物理量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的另一個(gè)物理量(通常是電壓、電流等電學(xué)量)，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件2非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制3注意(1)傳感器的發(fā)展十分迅速，其品種已達(dá)數(shù)萬種，我們學(xué)習(xí)

2、了解的只是最基本的幾種而已(2)不能認(rèn)為傳感器輸出的一定是電信號(hào)二、光敏電阻1特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小2原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好3作用：把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量三、熱敏電阻和金屬熱電阻1熱敏電阻熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖6­1­1甲所示為某一熱敏電阻的電阻隨溫度變化的特性曲線甲乙圖6­1­12金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖6­1

3、3;1乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線3熱敏電阻與金屬熱電阻的區(qū)別熱敏電阻金屬熱電阻特點(diǎn)電阻隨溫度的變化而變化且非常明顯電阻率隨溫度的升高而增大制作材料半導(dǎo)體金屬導(dǎo)體優(yōu)點(diǎn)靈敏度好化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大作用能夠?qū)囟冗@個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量注意在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器四、霍爾元件1構(gòu)造：如圖6­1­2所示，在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦)薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M、N，就成為一個(gè)霍爾元件圖6­1­22工作原理：在E、F間通入恒定的

4、電流I, 同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B，則薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)了電壓，稱為霍爾電壓UH.3霍爾電壓：UHk.(1)其中d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān)(2)一個(gè)霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比4作用：把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量說明霍爾電壓的推導(dǎo)設(shè)上圖中MN方向長度為l2，則qqvB.根據(jù)電流的微觀解釋，InqSv，整理后，得UH.令k，則UHk.UH與B成正比，因此霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量基礎(chǔ)自測1思考判斷(1)所有傳感器的材料都是由半導(dǎo)體材料做成的(×

5、;)(2)傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件()(3)隨著光照的增強(qiáng)，光敏電阻的電阻值逐漸增大(×)(4)只有熱敏電阻才能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量(×)(5)霍爾元件工作時(shí)，產(chǎn)生的電壓與外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比()2有一電學(xué)元件，溫度升高時(shí)電阻卻大幅度地減小，則這種元件使用的材料可能是()A金屬導(dǎo)體B絕緣體C半導(dǎo)體 D超導(dǎo)體【解析】金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增大，超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，半導(dǎo)體(如熱敏電阻)的阻值隨溫度的升高而大幅度地減小【答案】C3關(guān)于傳感器及其作用，下列說法正確的是()A傳感器一定是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量B傳感器一定是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電路的通

6、斷C傳感器把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量是為了方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制D電磁感應(yīng)是把磁學(xué)的量轉(zhuǎn)換為電學(xué)的量，所以電磁感應(yīng)也是傳感器【解析】傳感器是指一種元件或裝置，它能感受力、溫度、光、聲、磁、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷；其作用和目的是更方便地測量、傳輸、處理、控制非電學(xué)量，找出非電學(xué)量和電學(xué)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系電磁感應(yīng)是原理，不是元件和裝置，不能稱為傳感器【答案】C合 作 探 究·攻 重 難傳感器的原理和分類1傳感器的核心元件(1)敏感元件：相當(dāng)于人的感覺器官，直接感受被測量，并將其變換成與被測量成一定關(guān)系的易于測量的物理量

7、，如溫度、位移等(2)轉(zhuǎn)換元件：也稱為傳感元件，通常不直接感受被測量，而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出(3)轉(zhuǎn)換電路：是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量，如電壓、電流等2傳感器的工作原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓、電流、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作傳感器的工作原理如下所示：3分類工作原理舉例物理傳感器利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測出待測對(duì)象信息壓電傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器等化學(xué)傳感器利用化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測信

8、息氣敏傳感器、濕敏傳感器等生物傳感器利用生物化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測信號(hào)酶傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器等全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài)(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一，為模仿汽車油表原理，某同學(xué)自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置如圖6­1­3所示，其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端該同學(xué)在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出)，通過觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況，你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的_兩點(diǎn)之間，按照你的接法請(qǐng)回答：當(dāng)油箱中油量減少時(shí)，電壓表的示數(shù)將_(選填“增大”或“減小”)圖6­1­3【解

9、析】由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí)，R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng)，從而引起R兩端電壓的變化，且當(dāng)RR時(shí)，URIR可視為UR與R成正比，所以電壓表應(yīng)接在b、c兩點(diǎn)之間；當(dāng)油量減少時(shí)，電壓表示數(shù)將增大【答案】b、c增大傳感器問題的分析思路不同類型的傳感器，其工作原理一般不同，但所有的傳感器都是把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化因此我們可以根據(jù)電學(xué)量的變化來推測相關(guān)量的變化針對(duì)訓(xùn)練1壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖6­1­4甲所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個(gè)絕緣重球小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過程中，電

10、流表示數(shù)如圖乙所示，下列判斷正確的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：57272135】圖6­1­4A從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)B從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)C從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)D從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)【解析】在0t1內(nèi)，I恒定，壓敏電阻阻值不變，由小球的受力不變可知，小車可能做勻速或勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在t1t2內(nèi)，I變大，壓敏電阻阻值變小，壓力變大，小車做變加速運(yùn)動(dòng)，A、B錯(cuò)誤；在t2t3內(nèi)，I不變，壓力恒定，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)誤，D正確【答案】D驗(yàn)證光敏電阻和熱敏電阻的特性1熱敏電阻特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(1)實(shí)驗(yàn)器材：熱敏電阻

11、、燒杯(備有冷、熱水)、溫度計(jì)、鐵架臺(tái)、多用電表、開關(guān)、導(dǎo)線(2)實(shí)驗(yàn)步驟如圖6­1­5所示，將一個(gè)熱敏電阻連入電路中，用多用電表歐姆擋測其電阻，記錄溫度、電阻值；圖6­1­5將熱敏電阻放入裝有少量冷水并插入溫度計(jì)的燒杯中，記錄溫度、電阻值；分幾次向燒杯中倒入熱水，觀察不同溫度下熱敏電阻的阻值；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明熱敏電阻隨溫度變化的情況(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，而且阻值的變化是非線性的2光敏電阻特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(1)實(shí)驗(yàn)器材：光敏電阻、多用電表、導(dǎo)線、開關(guān)(2)實(shí)驗(yàn)步驟用多用電表歐姆擋兩表筆與光敏電阻兩端連接，測光敏電阻值如圖6&#

12、173;1­6所示；圖6­1­6手張開(或用黑紙)放在光敏電阻上，擋住部分光線，再測光敏電阻的阻值；全部擋住光線，再測光敏電阻的阻值(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的減弱而增大，而且阻值的變化是非線性的(多選)如圖6­1­7所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)()A電壓表的示數(shù)增大BR2中電流減小C小燈泡的功率增大D電路的路端電壓增大圖6­1­7【解析】當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓

13、減小，而電壓表的示數(shù)增大，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤；由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項(xiàng)正確；結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，C項(xiàng)正確【答案】ABC解決含有熱敏(光敏)電阻的動(dòng)態(tài)分析問題的思路(1)應(yīng)明確熱敏(光敏)電阻的電阻特性(2)根據(jù)閉合電路歐姆定律及串、并聯(lián)電路的性質(zhì)來分析電路中某一電阻變化而引起的整個(gè)電路中各部分電學(xué)量的變化情況(3)基本流程：R局R總I總U端R局針對(duì)訓(xùn)練2如圖6­1­8所示是一火警報(bào)警器的一部分電路示意圖，其中R2為用NTC半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a

14、、b之間接報(bào)警器，當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況是()AI變大，U變大BI變小，U變小CI變小，U變大 DI變大，U變小圖6­1­8【解析】當(dāng)R2處出現(xiàn)火情時(shí)，NTC熱敏材料制成的傳感器的電阻將減小，則此時(shí)電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知：外電路電壓將減小，U減小；電路中的總電流增大，所以R1上的電壓增大，顯示器兩端的電壓將減小，電流I減小，B正確【答案】B霍爾效應(yīng)的應(yīng)用1霍爾效應(yīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的測試和研究中例如用霍爾效應(yīng)可以確定一種半導(dǎo)體材料是電子型還是空穴型半導(dǎo)體內(nèi)載流子的濃度受溫度、雜質(zhì)以及其他因素的影響很大

15、，因此霍爾效應(yīng)為研究半導(dǎo)體載流子濃度的變化提供了重要的方法2利用霍爾效應(yīng)做成的霍爾元件有很多方面的用途：例如測量磁場，測量直流和交流電路中的電流和功率，轉(zhuǎn)換信號(hào)，如把直流轉(zhuǎn)換成交流并對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，放大直流或交流信號(hào)等(多選)如圖6­1­9所示為某霍爾元件的工作原理示意圖，該元件中電流I由正電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成下列說法正確的是()AM點(diǎn)電勢比N點(diǎn)電勢高B用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度C用霍爾元件能夠把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D若保持電流I恒定，則霍爾電壓UH與B成正比圖6­1­9【解析】當(dāng)正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成電流時(shí)，正電荷在洛倫茲力作用下向N極聚集，M極感應(yīng)出

16、等量的負(fù)電荷，所以M點(diǎn)電勢比N點(diǎn)電勢低，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)霍爾元件的特點(diǎn)可知，選項(xiàng)B、C正確；因霍爾電壓UHk，保持電流I恒定時(shí)，霍爾電壓UH與B成正比，選項(xiàng)D正確【答案】BCD針對(duì)訓(xùn)練3(多選)如圖6­1­10所示是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，相對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值，如果保持電流I恒定，則可以驗(yàn)證UH隨B的變化情況以下說法中正確的是()A將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時(shí)，UH將變大B在測定地球兩極的磁場強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C在測定地球赤道上的磁場強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平D改變磁感線與霍爾元件工作

17、面的夾角，UH將發(fā)生變化圖6­1­10【解析】一個(gè)磁極靠近霍爾元件工作面時(shí)，B增強(qiáng)，由UHk，知UH將變大，A正確；地球兩極處磁場可看作與地面垂直，所以工作面應(yīng)保持水平，B正確；赤道處磁場可看作與地面平行，所以工作面應(yīng)保持豎直，C錯(cuò)誤；若磁場與工作面夾角為，則應(yīng)有qvBsin q，可見變化時(shí)，UH將變化，D正確【答案】ABD當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)·固 雙 基1傳感器可以進(jìn)行信息采集并把采集到的信息轉(zhuǎn)換為易于控制的量，其工作過程可能是()A將力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)換成磁學(xué)量B將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成熱學(xué)量C將光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量D將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成力學(xué)量【解析】傳感器是指能夠感受諸如力、溫度

18、、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為控制電路的通斷的一類元件，故只有C項(xiàng)正確【答案】C2有一電學(xué)元件，溫度升高時(shí)其電阻減小，這種元件可能是()A金屬導(dǎo)體B光敏電阻CNTC熱敏電阻 DPTC熱敏電阻【解析】金屬導(dǎo)體電阻值一般隨溫度升高而增大，光敏電阻電阻值是隨光照強(qiáng)度的增大而減小，PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，只有NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，C正確，A、B、D錯(cuò)誤【答案】C3關(guān)于傳感器的下列說法正確的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：57272136】A所有傳感器的材料都是由半導(dǎo)體材料做成的B金屬材料也可以制成傳感器C傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號(hào)的D以上說法都不正確【解析】半導(dǎo)體材料可以制成傳感器，其他材料也可以制成傳感器，如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計(jì)，所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；傳感器不但能感知電壓的變化，還能感受力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量的變化，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤【答案】B4(多選)電子電路中常用到一種稱為“干簧管”的元件(如圖6­1­11所示)，它的結(jié)構(gòu)很簡單，只是玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片當(dāng)磁體靠近干