傳感器講義課件

第八早

傳感器

1傳感器及其工作原理

［學習目標］1.了解什么是傳感器，感受傳感技術(shù)在信息時代的作用與意義.2.知道將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量

的意義.3.了解光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻和霍爾元件的性能，知道其工作原理及作用.

自主預(yù)習預(yù)習新知夯實基礎(chǔ)

一、傳感器及工作原理

1.傳感器的定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量,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物理量（通常是電壓、電流等電嬖量）,或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的元件.

2.非電學量轉(zhuǎn)換為電學量的意義：把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量,可以方便地進行測量、傳輸、處理和控制.

二、光敏電阻的特點及工作原理

1.當半導(dǎo)體材料受到幽或者溫度近矗時，會有更多的電子獲得能量成為宜由電子，同時也形成更多的空

穴，于是導(dǎo)電能力明顯增強.

2.光敏電阻是用半導(dǎo)體材料（如硫化鎘）制成的.它的特點是光照越強,電阻越生它能夠把遜強我這個光學

量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量.

三、熱敏電阻和金屬熱電阻的特點

1.熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成.可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負溫度系數(shù)的熱敏電阻.

（1）正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大.

（2）負溫度系數(shù)的熱敏電阻（如氧化鋁熱敏電阻）隨溫度升高電阻避心

2.金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度升裔而增大,利用這一特性，金屬絲也可以制作成遢度傳感器，稱為

熱電阻.

四、霍爾元件的特點

1.霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時，載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡.

2.霍爾電壓：為薄片的厚度，上為霍爾系數(shù)）.其中皿的變化與義成正比，所以霍爾元件能把磁

感應(yīng)強度這個磁學量轉(zhuǎn)換成電壓這個電學量.

［即學即用］

1.判斷下列說法的正誤.

（1）傳感器可以把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量.（J）

（2）光敏電阻的阻值隨光照的唯弱而變化，光照越強電阻越大.（X）

(3)熱敏電阻一般用半導(dǎo)體材料制作，導(dǎo)電能力隨溫度的升高而增強，但靈敏度低.(X)

(4)霍爾元件一共有兩個電極，電壓這個電學量就通過這兩個電極輸出.(X)

2.如圖1所示，Q為定值電阻，及為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時，電流表的讀數(shù)

.(填“變大”或“變小”)，小燈泡的亮度.(填“變亮”或“變暗”).

圖1

答案變小變亮

重點探究啟迪思維探究重點

一、傳感器

［導(dǎo)學探究］干簧管結(jié)構(gòu)：如圖2所示，它是玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖3電路,

當條形磁鐵靠近干簧管時：

(1)會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？

(2)干簧管的作用是什么？

答案(1)燈泡會亮，因為當條形磁鐵靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通.

(2)干簧管起到開關(guān)的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器.

［知識深化］

1.傳感器的原理:

|電學量|

2.在分析傳感器時要明確：

(1)核心元件是什么；

(2)是怎樣將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量;

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（3）是如何顯示或控制開關(guān)的.

m11如圖4是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置.其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它

的金屬滑片是金屬桿的?端.在裝置中使月了?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.若將電壓表分別接在氏c之間與c、d之間，當油量變化時，電壓表的示數(shù)如何變化？

答案見解析

解析把電壓表接在氏c之間，油量增加時，R減小，電壓表的示數(shù)減??；油量減少時，R增大，電壓表

的示數(shù)增大.把電壓表接在c、d之間，油量增加時，R；成小,電路中也流增大，則R'兩端的電壓增大，

電壓裊的示數(shù)增大，同理，油量減少時，電壓表的示數(shù)減小.

二、光敏電阻

［導(dǎo)學探究］在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后，就可以準確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，如圖5所示為

光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中Ri為光敏電阻,&為定值電阻.此光電計數(shù)器的基本工作原理是什么？

答案當光被產(chǎn)品擋住時，幻電阻增大，電路中電流減小，電兩端電壓減小，信號處理系統(tǒng)得到低電壓，

每通過一個產(chǎn)品就獲得一次低電壓，并計數(shù)一次.

【例2】（多選）（2017?揚州、泰州、南通、淮安、宿遷、徐州六市3月聯(lián)考）如圖6所示的閉合電路中，R是

半導(dǎo)體光敏電阻，4為滑動變阻器.現(xiàn)用一束光照射光敏電阻，則（）

圖6

A.電流表讀數(shù)變大B.電壓表讀數(shù)變大

C.電源的總功率變大D.電源內(nèi)阻的功率變大

答案ACD

解析一束光照射光敏電阻，光敏電阻的阻值變小，根據(jù)閉合電路歐姆定律可得總電流變大，電流表讀數(shù)

變大，滑動變阻器Q與電源內(nèi)阻分壓均增大，光敏電阻兩端的電壓減小，電壓表讀數(shù)變小，A正確，B錯

誤；也源的總功率。=取，電流斕大，所以電源的總功率增大，C正確；電源內(nèi)阻的功率■Pr=/2"，電流增

大，電源內(nèi)阻的功率增大，D正確.

三、熱敏電阻和金屬熱電阻

［導(dǎo)學探究］如圖7所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電

阻島（溫度升高，電阻減?。┑膬啥讼噙B，這時表針恰好指在刻度盤的正中央.若在RT上擦一些酒精，表針將如

何偏轉(zhuǎn)？若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，表針將如何偏轉(zhuǎn)？

歐姆表

圖7

答案由于酒精蒸發(fā)，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，表針將向左偏；用吹風機將熱風吹向熱敏電

阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，表針將向右偏.

【例31（多選）在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制.如圖8所示

電路，Q為定值電阻，&為半導(dǎo)體熱敏電阻（溫度越高電阻越?。?，C為電容器.當環(huán)境溫度降低時（）

A.電容器C的帶電荷量增大

B.電壓表的讀數(shù)增大

C.電容器C兩板間的電場強度減小

D.R消耗的功率增大

答案AB

E

解析當環(huán)境溫度降低時，&變大，電路的總電阻變大，由/=丁知/變小，乂U=E—Ir,電壓表的讀數(shù)

U增大，B正確；又由尸1=尸凡可知，凡消耗的功率Pl變小，D錯誤；電容器兩板間的電壓

5=IRi,可知Ui變小，S變大，由場強E'=y,Q=CS可知0、E1都增大，故A正確，C錯誤.

技巧點撥■--------------------------------）

含有熱敏電阻、光敏電阻電路的動態(tài)分杉?步躲

（1）明確熱敏電阻（或光敏電阻）的阻值隨溫度（或光照強度）的變化是增大還是減小.

（2）分析整個回路的電阻的增減、電流的增減.

（3）分析部分電路的電壓、也流如何變化.

四、霍爾元件

［導(dǎo)學探究］如圖9所示，在矩形半導(dǎo)體薄片E、尸間通入恒定的電流/,同時外加與薄片垂直的磁場4,

則M、N間會出現(xiàn)電壓，稱為霍爾電壓UH.

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(1)分析為什么會出現(xiàn)電壓.

(2)試推導(dǎo)5的表達式.

答案(1)薄片中的載流子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.

(2)設(shè)薄片厚度為4,即方向長度為八，方向長度為方受力分析如圖

當洛倫茲力與電場力平衡時，朋、N間電勢差達到穩(wěn)定.

即丹=9仍

再根據(jù)電流的微觀表達式/=叼7~,S=M

整理得：如=篇

令卜焉其中〃為材料單位體積的載流子的個數(shù)，g為單個載流子的電荷量，它們均為常數(shù).

則有UH=*.

［知識深化］

霍爾電勢高低的判斷方法：利用左手定則，即磁感線垂直穿入手心，四指指向電流方向，拇指指的方向為

載流子的受力方向，若載流子是正電荷，則拇指所指的面為高電勢面，若載流子是負電荷，則拇指所指的

面為低電勢面.

m41(2017?揚州祁江中學高二(下)期中)霍爾元件是一種應(yīng)用霍爾效應(yīng)的磁峙感器，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，

如在翻蓋手機中,常用霍爾元件來捽制翻蓋時開啟或關(guān)閉運行程序.如圖10所示是一霍爾元件的示意圖.

通入沿x軸正向的電流/,沿y軸正向加恒定的勻強磁場8,圖中隊b是垂直于n軸方向上元件的前后兩

側(cè)面，霍爾元件寬為d(a、b間距離),M間將出現(xiàn)電壓U加貝M)

圖10

A.a、b間電壓僅與磁感應(yīng)強度B有關(guān)

B.若霍爾元件的載流子是自由電子，則向兩端電壓”脛0

C.若霍爾元件的載流子是正電荷，則乃兩端電壓a廣0

D.若增大霍爾元件寬度"，則ab間電壓小人一定增大

答案B

解析霍爾元件寬為d,設(shè)霍爾元件厚度為兒則有/才=夕〃8,而/=〃卯成，則U=正，故A錯誤：

若霍爾元件的載流子是自由電子，根據(jù)左手定則，電子向4側(cè)面偏轉(zhuǎn)，q表面帶負電，力表面帶正電，所

以b是面的電勢高，則1Vo.故B正確；

若霍爾元件的載流子是正電荷，根據(jù)左手定則，正電荷向〃側(cè)面偏轉(zhuǎn)，〃表面帶正電，b表面帶負電，所

以。表面的電勢高，則故C錯誤；

由A選項分析知，a、b間電壓與霍爾元件厚度有關(guān)，與寬度無關(guān)，故D錯誤.

達標檢測檢測評價達標過關(guān)

1.（對生感器的理解）在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關(guān)，這是由于在電梯門上裝有的傳

感器是（）

A.光傳感器B.溫度傳感器

C.聲傳感器D.磁傳感器

答案A

2.（光敏電阻的特性）如圖11所示的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，R和L之

間用擋板（未畫出）隔開，LED為發(fā)光二極管（電流越大，發(fā)出的光越強），且R與LED間距不變，下列說法

中正確的是（）

A.當滑動觸頭尸向左移動時，L消耗的功率增大

B.當滑動觸頭尸向左移動時，L消耗的功率減小

C.當滑動觸頭尸向右移動時，L消耗的功率可能不變

D.無論怎樣移動滑動觸頭P,L消耗的功率都不變

答案A

解析滑動觸頭尸左移，滑動變阻器接入電路的電阻減小，流過二極管的電流增大，從而發(fā)光增強，使光

鉞電阻R減小，最終達到增大流過燈泡的電流的效果.

3.（熱敏電阻的特性）（2018?如東中學階段性檢測）某溫控電路的原理如圖12所示，是負溫度系數(shù)的熱敏電

阻，火是滑動變阻器，某種儀器要求在15c?27c的環(huán)境中工作.當環(huán)境溫度偏高或偏低時，控制器會自

動啟動降溫或升溫設(shè)備.下列說法中正確的是（）

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A.環(huán)境溫度降低，Rw的阻值減小

B.環(huán)境溫度升高，人變大

C.滑片尸向下移動時，U必變大

D.調(diào)節(jié)滑片尸的位置能改變降溫和升溫設(shè)備啟動時的臨界溫度

答案D

解析環(huán)境溫度降低時，R”變大，A錯，溫度升高，減小，Uab變小,B錯.滑片向下移動，回路電流減

小，Uab變，”,調(diào)節(jié)滑片位置能改變臨界溫度，D正確.

4.（霍爾元件的認識及應(yīng)用）（多選）如圖13所示是霍爾元件的示意圖，一塊通電的銅板放在磁場中，銅板的

前、后板面垂直丁磁場，板內(nèi)通有如圖方向的電流，〃、小是銅板上、下邊緣的兩點，貝乂）

A.電勢（pa＞（ph

B.電勢（pb＞（pa

C.僅電流增大時，|如一伽|增大

D.其他條件不變，將銅板改為NaCl溶液時，電勢結(jié)果仍然一樣

答案BC

解析銅板中的自由電荷是電子，電子定向移動的方向與電流的方向相反，由左手定則可判斷出電子因受

洛倫茲力作用向。側(cè)偏轉(zhuǎn)，所以9〃＞如，B正確，A錯誤；因|伙＞一所以電流增大時，|如一9d增

大，C正確；若將銅板改為NaCl溶液，溶液中的正、負離子均向。側(cè)偏轉(zhuǎn)，1%—㈤=0,即不產(chǎn)生霍爾效

應(yīng)，故D錯誤.

課時對點練注重雙基強化落實

考點一傳感器的理解

1.（2017?深水中學高二期末）街道旁的路燈利用半導(dǎo)體的電學特性制成了白天自動熄滅，夜晚自動點亮的裝

置，該裝置的工作原理是應(yīng)用了半導(dǎo)體的（）

A.光敏性B.壓敏性

C.熱敏性D.三個特性同時應(yīng)用

答案A

解析燈要求夜晚亮，白天熄，白天有光，黑夜無光，則由光導(dǎo)致的電路電流變化，所以電路中利用光傳

感篙手致電阻變化，實現(xiàn)自動控制，因此是利用半導(dǎo)體的光敏性，A正確；B、C、D錯誤.

2.如圖1所示，是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制成的傳感器，話筒的振動膜前面有薄薄的金屬層,

膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構(gòu)成電容器的兩極.在兩極間加一電壓

U,人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，從而使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化為電信號，其中

導(dǎo)致電容變化的原因是電容器兩板間的（）

振動膜

Q金屬板

圖1

A.距離變化B.正對面積變化

C.電介質(zhì)變化D.電壓變化

答案A

解析振動膜前后振動，使振動膜上的金屬層與金屬板間的距離發(fā)生變化，從而將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，

故A正確.

3.（多選）電容式傳感器是用來將非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置.由于電容器的電容。取決于極板正對面積S、

極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素，當某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化，

從而引起電容的變化，如圖2所示是四個電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四個傳感器的作用，下列說法正

確的是（）

極板

1'?

動電極電介質(zhì)

極板

待測壓力產(chǎn)

丙7

圖2

A.甲圖的傳感器可以用來測量角度

B.乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度

C.丙圖的傳感器可以用來測量壓力

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D.丁圖的傳感器只能用來測量速度

答案ABC

4.（多選）壓敏電阻的阻值會隨所受壓力的增大而減小，某位同學利用壓敏電阻設(shè)計了判斷電梯運動狀態(tài)的

裝置，其裝置示意圖如圖3所示，將壓敏電阻平放在電梯內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體機，電梯靜止

時電流表示數(shù)為/o,電梯在不同的運動過程中，電流表的示數(shù)分別如圖4甲、乙、丙、丁所示，下列判斷

中正瑜的是（）

圖4

A.甲圖表示電梯可能做勻速直線運動

B.乙圖表示電梯可能做勻加速上升運動

C.丙圖表示電梯可能做勻加速上升運動

D.丁圖表示電梯可能做勻減速下降運動

答案AB

解析題圖甲中電流表示數(shù)和靜止時相等，故可能做勻速直線運動，A正確題圖乙中電流表示數(shù)為2/（）,

且保持不變，故壓敏電阻所受壓力增大且恒定，電阻變小，物體超重，電梯可能勻加速上升，B正確.題圖

丙、丁中電流表的示數(shù)隨時間變化，故電梯的加速度是變化的，不可能是勻加速或勻減速，C、D錯誤.

考點二光敏電阻、熱敏電阻的認識及應(yīng)用

5.如圖5所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，將一光敏電阻接入多用電表兩表筆上，用光照射光敏

電阻時，表針的偏轉(zhuǎn)角為仇現(xiàn)用手掌擋住部分光線，表針的偏轉(zhuǎn)角為夕，則可判斷（）

圖5

A"=0

B"<0

C9>0

D.不能確定

答案B

6.（多選）如圖6為電阻R隨溫度7變化的弱線.下列說法中正確的是（）

A.圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的

B.圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導(dǎo)體材料制成的

C.圖線1對應(yīng)的材料化學穩(wěn)定性好、測溫范圍大、靈敏度高

D.圖線2對應(yīng)的材料化學穩(wěn)定性差、測溫范圍小、靈敏度高

答案BD

解析金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，半導(dǎo)體材料的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，所以A錯，

B對；圖線1對應(yīng)的材料化學穩(wěn)定性好但靈敏度低，圖線2對應(yīng)的材料化學穩(wěn)定性差但靈敏度高，所以C

錯，D對.

7.（多龍）計算機光驅(qū)的主要部分是激光頭，它可以發(fā)射脈沖激光信號，激光掃描光盤信息時，激光頭利用

光敏自動計數(shù)器將反射回來的脈沖信號傳輸給信號處理系統(tǒng)，再通過計算機顯示出相應(yīng)信息.光敏電阻自動

計數(shù)器的示意圖如圖7所示，其中R為光敏電阻，及為定值電阻，此光電計數(shù)器的基本工作原理是（）

豳可收激光

圖7

A.當有光照射凡時，處理系統(tǒng)獲得高電壓

B.當有光照射氏時，處理系統(tǒng)獲得低電壓

C.信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次

D.信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次

答案AD

解析當有光照射R時，電阻減小，處理系統(tǒng)獲得高位壓；信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次.

8.如圖8所示，&3是光敏電阻（光照增強時電阻變小），當開關(guān)S閉合后，在沒有光照射時，。、b兩點等電

勢.當用光照射電阻R時，則（）

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圖8

A.a點電勢高于b點電勢

Ba點電勢低于6點電勢

C.a點電勢等于6點電勢

D.a點電勢和h點電勢的大小無法比較

答案A

解析R是光敏電阻，當有光照射時電阻變小，心兩端電壓減小，故a點電要升高，因其他電阻的阻值不

變，所以a點電勢高于b點電勢，故A正確.

9.（2017?揚州市邛江中學高二（下）期中）如圖9所示為某傳感裝置內(nèi)部部分電路圖，所為正溫度系數(shù)熱敏電

阻，其特性為隨著溫度的升高阻值增大；R為光敏電阻，其特性為隨著光照強度的增強阻值減??；治和

以均為定值電阻，電源電動勢為E,內(nèi)阻為為理想電壓表.若發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)增大，可能的原因是（）

熱敏電阻

光敏電阻

①熱敏電阻溫度降低，其他條件不變

②熱敏電阻溫度升高，其他條件不變

③光照減弱，其他條件不變

④光照增強，其他條件不變

A.①@B.①④C.②③D.②④

答案A

解析①熱敏電阻溫度降低時，其阻值減小，外電路總電阻減小，總電流增大，路端電壓隨之減小，通過

光敏電阻的電流減小，通過心的電流增大，電壓表的讀數(shù)增大，符合題意，故①正確.

②同理可得熱敏電阻溫度升高，其他條件不變，電壓表的示數(shù)減小，不符合題意，故②錯誤.

③光照減弱，光敏電阻的阻值增大，外電路總電阻增大，路端電壓增大，則電壓表的示數(shù)增大，故③正確.

④光照增強，光敏電阻的阻值減小，外電路總電阻減小，路端電壓減小，則電壓表的示數(shù)減小，故④錯誤.

本題選A.

10.（多選）如圖10所示，電源的電動勢為&內(nèi)阻為hRi、小、&為定值電阻，后為光敏電阻（光敏電阻被

光照射時阻值變?。珻為電容器.閉合開關(guān)S,電路穩(wěn)定后，用光照射心，下列說法正確的是（）

圖10

A.電壓表示數(shù)增大

B.電源的效率增大

C.電容器所帶電荷景增加

D.R2上消耗的功率增大

答案CD

解析因有光照射時，光敏電阻的阻值減小，故總電阻減?。河砷]合電路的歐姆定律可知，干路電流增大,

Dpi—12..

由U=E一〃可知路端電壓減小，所以電壓表示數(shù)減小，故A錯誤：電源的效率〃==1一下，

電流增大，則電源效率減小，故B錯誤；電容器的電壓與&兩端的電?壓相等，因&電阻變小，總電阻變

小，總電流增大，外電壓變小，通過R的電流減小，則通過&的電流增大，所以電容器的電壓增大，根

據(jù)0=CU可知，電容器所帶電荷量一定增加，故C正確；通過&的電流增大，根據(jù)尸=/?2R可知，&上

消耗的功率增大，故D正確.

11.溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的

特性來工作的.如圖11甲所示，申源的電動勢E=9V,內(nèi)阻不計：G為冠敏電流表，內(nèi)阻凡保持不變：R

為熱敏電阻，其電阻阻值與溫度的變化關(guān)系如圖乙所示.閉合開關(guān)S,當R的溫度等于20℃時，電流表的

示數(shù)/i=2mA；當電流表的示數(shù)/2=3.6mA時，熱敏電阻的溫度是()

—

甲