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6.1传感器及其工作原理 学案(含答案)

1、1 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 学科素养与目标要求 物理观念:1.知道什么是传感器,知道其将非电学量转化为电学量的意义.2.了解光敏电阻、 热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能,知道其工作原理及作用. 科学探究:通过多种渠道收集传感器的信息,进行交流、展示,了解传感器的应用. 一、传感器及工作原理 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. 二、光

2、敏电阻的特点及工作原理 1.当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也 形成更多的空穴,于是导电能力明显增强. 2.光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的,它的特点是光照越强,电阻越小.它能够把光 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的特点 1.热敏电阻:用半导体材料制成.可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻. (1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大. (2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小. 2.金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度 传感器,

3、称为热电阻. 四、霍尔元件的特点 1.霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡. 2.霍尔电压:UHkIB d (d 为薄片的厚度,k 为霍尔系数).其中 UH的变化与 B 成正比,所以霍尔 元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量. 1.判断下列说法的正误. (1)传感器可以把非电学量转化为电学量.( ) (2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越大.( ) (3)热敏电阻一般用半导体材料制作,导电能力随温度的升高而增强,但灵敏度低.( ) (4)霍尔元件一共有两个电极,电压这个电学量就通过这两个电极输出.( ) 2.如图 1 所示,R1为定值电阻,

4、R2为负温度系数的热敏电阻,L 为小灯泡,当温度降低时, 电流表的读数_(填“变大”或“变小”),小灯泡的亮度_(填“变亮”或“变暗”). 图 1 答案 变小 变亮 一、传感器 干簧管结构:如图甲所示,它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片,接入图乙电 路,当条形磁铁靠近干簧管时: 甲 乙 (1)会发生什么现象,为什么? (2)干簧管的作用是什么? 答案 (1)灯泡会亮,因为当条形磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通. (2)干簧管起到开关的作用,是一种能够感知磁场的传感器. 1.传感器的原理 非电学量 传感器敏感元件、转换器件、转换电路 电学量 2.在分析传感器时要明确 (1)核心元

5、件是什么; (2)是怎样将非电学量转化为电学量的; (3)是如何显示或控制开关的. 例 1 (2018 扬州市邗江区高二下学期期中)关于传感器,下列说法正确的是( ) A.所有传感器都是由半导体材料制成的 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.水银温度计是一种传感器 答案 B 解析 传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,所以 A 错误;金属材 料也可以制成传感器, 所以B正确; 传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的, 所以 C 错误;水银温度计根据热胀冷缩来测量温度,不是传感器,所以 D 错误. 二、光敏电阻及应用 在工

6、厂生产车间的生产线上安装计数器后,就可以准确得知生产产品的数量,如图所示为光 敏电阻自动计数器的示意图,其中 R1为光敏电阻,R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作 原理是什么? 答案 当光被产品挡住时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压减小,信号处理系统 得到低电压,每通过一个产品就获得一次低电压,并计数一次. 光敏电阻是由半导体材料制成的.它的阻值随光照强度的变化而变化,光照越强,电阻越小; 光照越弱,电阻越大. 例 2 (多选)如图 2 所示,R1、R2为定值电阻,L 为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度 增大时( ) 图 2 A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小 C.小灯

7、泡的功率增大 D.电路的路端电压增大 答案 ABC 解析 当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随 R3的减小而减小,由闭合电路欧 姆定律知,干路电流增大,R1两端电压增大,电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路 的路端电压减小,A 项正确,D 项错误.因路端电压减小,而 R1两端电压增大,故 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, 故小灯泡的功率增大,C 项正确. 三、热敏电阻和金属热电阻及应用 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(温度升高,电阻减小)的两端相连,这

8、时表针恰好指在刻度盘的正中央.若在 RT上擦一 些酒精,表针将如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转? 答案 由于酒精蒸发,热敏电阻 RT温度降低,电阻值增大,表针将向左偏;用吹风机将热风 吹向热敏电阻,热敏电阻 RT温度升高,电阻值减小,表针将向右偏. 1.金属热电阻:金属导体的电阻,随温度的升高而增大. 2.热敏电阻(负温度系数):用半导体材料制成,其阻值随温度升高而减小. 例 3 (多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控 制.如图 3 所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C 为电容器. 当环境温度降低时(

9、 ) 图 3 A.电容器 C 的带电荷量增大 B.电压表的读数增大 C.电容器 C 两板间的电场强度减小 D.R1消耗的功率增大 答案 AB 解析 当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由 I E R总知 I 变小,又 UEIr, 电压表的读数 U 增大,B 正确;又由 P1I2R1可知,R1消耗的功率 P1变小,D 错误;电容 器两板间的电压 U2UU1,U1IR1,可知 U1变小,U2变大,由场强 EU2 d ,QCU2 可知 Q、E都增大,故 A 正确,C 错误. 含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤 1.明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强度)的增加是增大还是减

10、小. 2.分析整个回路的电阻的、电流的增减. 3.分析部分电路的电压、电流如何变化. 四、霍尔元件 如图所示,在矩形半导体薄片 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 M、N 间会出现电压,称为霍尔电压 UH. (1)分析为什么会出现电压. (2)试推导 UH的表达式. 答案 (1)薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下, 向着与电流和磁场都垂直的方向偏转, 使 M、 N 间出现了电压. (2)设薄片厚度为 d,EF 方向长度为 l1,MN 方向长度为 l2,受力分析如图所示 当洛伦兹力与电场力平衡时,M、N 间电势差达到稳定值. 即 qUH l2 qvB 再根据电流的微观表

11、达式 InqvS,Sl2d 整理得:UH IB nqd 令 k 1 nq, 其中 n 为材料单位体积的载流子的个数, q 为单个载流子的电荷量, 它们均为常数. 则有 UHkIB d . 霍尔元件电势高低的判断方法: 利用左手定则, 即磁感线垂直穿入手心, 四指指向电流方向, 拇指指的方向为载流子的受力方向,若载流子是正电荷,则拇指所指的面为高电势面,若载 流子是负电荷,则拇指所指的面为低电势面. 例 4 (2017 扬州市邗江中学高二(下)期中)霍尔元件是一种应用霍尔效应的磁传感器,广泛 应用于各领域,如在翻盖手机中,常用霍尔元件来控制翻盖时开启或关闭运行程序.如图 4 所 示是一霍尔元件的

12、示意图,通入沿 x 轴正向的电流 I,沿 y 轴正向加恒定的匀强磁场 B,图中 a、b 是垂直于 z 轴方向上元件的前后两侧面,霍尔元件宽为 d(a、b 间距离),ab 间将出现电 压 Uab,则( ) 图 4 A.a、b 间电压 Uab仅与磁感应强度 B 有关 B.若霍尔元件的载流子是自由电子,则 ab 两端电压 Uab0 C.若霍尔元件的载流子是正电荷,则 ab 两端电压 Uab0 D.若增大霍尔元件宽度 d,则 ab 间电压 Uab一定增大 答案 B 解析 霍尔元件宽为 d,设霍尔元件厚度为 h,则有 qUab d qvB,而 Inqvdh,则 Uab BI nqh, 故 A、D 错误;

13、 若霍尔元件的载流子是自由电子,根据左手定则,电子向 a 侧面偏转,a 表面带负电,b 表面 带正电,所以 b 表面的电势高,则 Uab0,故 C 错误. 学科素养 通过以上例题,进一步建立传感器的概念,了解各种传感器的工作原理,较好 地体现了“物理观念”的学科素养. 1.(对传感器的理解)许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯到了晚上能够自动做到“人来即亮, 人走即灭”,其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器,下面有关该传感器的说法中正确的 是( ) A.该传感器能够测量的物理量是位移和温度 B.该传感器能够测量的物理量是位移和光强 C.该传感器能够测量的物理量是光强和声音 D.该传感器能够测量的物

14、理量是压力和位移 答案 C 解析 楼道中安装了自动灯光控制系统,白天灯不亮,和光传感器有关;晚上有人经过时, 灯自动亮起来,与声音有关,是声传感器,所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音, C 正确. 2.(光敏电阻的特性)如图 5 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, R 和 L 之间用挡板(未画出)隔开, LED 为发光二极管(电流越大, 发出的光越强), 且 R 与 LED 间距不变,下列说法中正确的是( ) 图 5 A.当滑动触头 P 向左移动时,L 消耗的功率增大 B.当滑动触头 P 向左移动时,L 消耗的功率减小 C.当滑动触头 P 向右移动时,

15、L 消耗的功率可能不变 D.无论怎样移动滑动触头 P,L 消耗的功率都不变 答案 A 解析 滑动触头 P 左移,滑动变阻器接入电路的电阻减小,流过二极管的电流增大,从而发 光增强,使光敏电阻 R 减小,流过灯泡的电流增大,L 消耗的功率增大. 3.(热敏电阻的特性)(2018 如东中学阶段性检测)某温控电路的原理如图 6 所示,RM是负温度 系数的热敏电阻,R 是滑动变阻器,某种仪器要求在 15 27 的环境中工作.当环境温度 偏高或偏低时,控制器会自动启动降温或升温设备.下列说法中正确的是( ) 图 6 A.环境温度降低,RM的阻值减小 B.环境温度升高,Uab变大 C.滑片 P 向下移动时

16、,Uab变大 D.调节滑片 P 的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度 答案 D 解析 环境温度降低时,RM变大,A 错误;环境温度升高,RM减小,Uab变小,B 错误;滑 片向下移动,回路电流减小,Uab变小,C 错误;调节滑片位置能改变临界温度,D 正确. 4.(霍尔元件的认识及应用)(多选)如图 7 所示是霍尔元件的示意图,一块通电的铜板放在磁场 中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b 是铜板上、下边缘的两 点,则( ) 图 7 A.电势 ab B.电势 ba C.仅电流增大时,|ab|增大 D.其他条件不变,将铜板改为 NaCl 溶液时,a、b 两点电势高低情况仍然一样 答案 BC 解析 铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判 断出电子因受洛伦兹力作用向 a 侧偏转,所以 ba,B 正确,A 错误;因|ab|kIB d ,所 以电流增大时,|ab|增大,C 正确;若将铜板改为 NaCl 溶液,溶液中的正、负离子均向 a 侧偏转,|ab|0,即不产生霍尔效应,故 D 错误.