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.
