XX省專用學年高中物理第六章傳感器第節傳感器及其工作原理講義含分析新人教版選修XX省專用學年高中物理第六章傳感器第節傳感器及其工作原理講義含分析新人教版選修PAGEXX省專用學年高中物理第六章傳感器第節傳感器及其工作原理講義含分析新人教版選修第1節傳感器及其工作原理1．傳感器依據必定的規律把非電學量轉變為電學量，能夠很方便地進行丈量、傳輸、辦理和控制。2．光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量變換為電阻這個電學量。3．熱敏電阻和金屬熱電阻能把溫度這個熱學量變換為電阻這個電學量。4．電容式位移傳感器能把物體位移這個力學量變換為電容這個電學量。5．霍爾元件能把磁感覺強度這個磁學量變換為電壓這個電學量。一、傳感器1．傳感器的定義能夠感覺諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量，并能把它們依據必定的規律變換為便于傳達和辦理的另一個物理量(平常是電壓、電流等電學量)，或變換為電路的通斷的元件。2．非電學量變換為電學量的意義把非電學量變換為電學量，能夠方便地進行丈量、傳輸、辦理和控制。二、光敏電阻1．特色光照越強，電阻越小。2．原由無光照時，載流子很少，導電性能不好；跟著光照的加強，載流子增加，導電性變好。3．作用把光照強弱這個光學量變換為電阻這個電學量。三、熱敏電阻和金屬熱電阻1．熱敏電阻熱敏電阻由半導體資料制成，其電阻值隨溫度的變化顯然，溫度高升電阻減小，以以下圖為某一熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的特色曲線。2．金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的高升而增大，這樣的電阻也能夠制作溫度傳感器，稱為熱電阻，以以下圖為某金屬導線電阻的溫度特色曲線。四、霍爾元件1．霍爾元件以以下圖，在一個很小的矩形半導體(比方砷化銦)薄片上，制作四個電極E、F、M、N，它就成為一個霍爾元件。霍爾元件能夠把磁感覺強度這個磁學量變換為電壓這個電學量。2．霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)(1)此中d為薄片的厚度，k為霍爾系數，其大小與薄片的資料有關。(2)一個霍爾元件的厚度d、霍爾系數k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比，所以霍爾元件又稱磁敏元件。1．自主思慮——判一判(1)全部傳感器的資料都是由半導體資料做成的。(×)(2)傳感器是把非電學量變換為電學量的元件。(√)(3)傳感器只好感覺溫度和光兩個物理量。(×)(4)跟著光照的加強，光敏電阻的電阻值漸漸增大。(×)(5)只有熱敏電阻才能把溫度這個熱學量變換為電阻這個電學量。(×)(6)霍爾元件工作時，產生的電壓與外加的磁感覺強度成正比。(√)2．合作研究——議一議(1)為何傳感器一般都是將感覺到的非電學量變換成電學量呢？提示：電學量擁有易丈量，易控制，丈量精度和速度較高，易放大、反應、儲蓄和可遠距離傳輸等特色。特別是電信號能方便地與計算機連結而進行信息辦理，所以傳感器一般都是將感覺到的非電學量變換成電學量。(2)光敏電阻和熱敏電阻的特色成因同樣嗎？提示：不同樣。半導體資料遇到的光照加強時，會有更多的電子獲取能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，即載流子數增加，于是導電能力顯然地加強，電阻減小，這是光敏電阻的特色成因。對于負溫度系數的熱敏電阻，溫度高升時，有更多的電子獲取能量成為自由電子，同時空穴增加，即載流子數增加，于是導電能力顯然地加強，電阻減小，這是熱敏電阻的特色成因。(3)霍爾元件的成因是什么？提示：外面磁場使運動的載流子遇到洛倫茲力的作用，在導體板的一側齊集，在導體板的另一側會出現節余的另一種電荷，進而形成電場；橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力，當靜電力與洛倫茲力達到均衡時，導體板左、右雙側會形成堅固的電壓。傳感器的工作原理1．傳感器的構成和工作流程(1)傳感器的構成①敏感元件：相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用資料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏，濕敏等)制成的。②變換元件：是傳感器中能將敏感元件輸出的與被測物理量成必定關系的非電信號變換成電信號的電子元件。③變換電路：將變換元件輸出的不易丈量的電學量變換成易于丈量的電學量，如電壓、電流、電阻等。(2)傳感器的工作流程2．傳感器的原理傳感器感覺的平常是非電學量，如力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而輸出的平常是電學量，如電壓、電流、電荷量等。這些輸出的信號是特別略微的，平常需要經過放大后，再傳達給控制系統產生各樣控制動作。1．對于傳感器，以下說法正確的選項是()A．全部傳感器都是由半導體資料做成的B．金屬資料也能夠制成傳感器C．傳感器主假如經過感知電壓的變化來傳達信號的D．以上說法都不正確分析：選B大部分傳感器是由半導體資料做成的，某些金屬也能夠做傳感器，如金屬熱電阻。傳感器將非電學信號變換為電學信號，所以傳感器感知的應當是“非電學信號”。故只有B正確。2.[多項選擇]以以下圖，干簧管放在磁場中時兩個舌簧能被磁化。對于干簧管，以下說法正確的選項是()A．干簧管接入電路中相當于電阻的作用B．干簧管是依據熱脹冷縮的原理制成的C．干簧管接入電路中相當于開關的作用D．干簧管是作為電控元件以實現自動控制的分析：選CD干簧管能感知磁場，因為兩個舌簧由軟磁性資料制成，當四周存在磁場時，兩個舌簧被磁化，就會相互吸引，所以是作開關來使用、作為控制元件以實現自動控制的。故C、D正確。3．當你走近某些酒店、酒樓的大門時，門就會自動為你翻開；當你走進門今后，門又在你身后自動關上。你感覺這可能是將以下哪一種外界信息變換為合用的信息()A．溫度B．運動C．人D．光芒分析：選D自動門的自動控制要求敏捷、靠譜，若以溫度控制，人的體溫與夏天氣溫湊近，則在夏天自動門將沒法使用。自動門實質使用的是紅外線傳感器，紅外線屬于不可以見光，人在白日或黑夜均發出紅外線，傳感器接收到人體發出的紅外線后傳給自動控制裝置的電動機，實現自動開、關門。故D正確。光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件特色比較元件特色光敏電阻半導體資料遇到的光照加強時，會有更多的電子獲取能量成為自由電子，即載流子數增加，于是導電性顯然地加強，電阻減小熱敏電阻對于負溫度系數的熱敏電阻，溫度高升時，有更多的電子獲取能量成為自由電子，即載流子數增加，于是導電性顯然地加強，電阻減小霍爾元件霍爾元件兩極間通入恒定的電流，同時外加與薄片垂直的磁場B時，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，在另兩極上形成電壓[典例]以以下圖是一火警報警器的一部分電路表示圖，此中R2為用半導體熱敏電阻(阻值隨溫度的高升而減小)制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器。當傳感器R2所在處出現火情時，顯示器的電流I、報警器兩頭的電壓U的變化狀況是()A．I變大、U變大B．I變小、U變小C．I變小、U變大D．I變大、U變小[思路點撥]解答此題時可按以下思路分析：[分析]當R2處出現火情時，熱敏電阻的阻值將減小，則此時電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知，路端電壓將減小，電路中的總電流增大，所以R1兩頭的電壓增大，因為路端電壓減小，則并聯部分的電壓減小，經過R3的電流I變小，所以顯示器的電流I變小，報警器的電壓U變小，應選B。[答案]B含有熱敏電阻的電路的動向分析次序1.[多項選擇]有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入以以下圖電路中的A、B兩點后，用黑紙包住元件或許把元件置入熱水中，察看歐姆表的示數，以下說法中正確的選項是()A．置入熱水中與不置入熱水中比較，歐姆表示數變化較大的必定是熱敏電阻B．置入熱水中與不置入熱水中比較，歐姆表示數不變化的必定是定值電阻C．用黑紙包住與不用黑紙包住比較，歐姆表示數變化較大的必定是光敏電阻D．用黑紙包住與不用黑紙包住比較，歐姆表示數同樣的必定是定值電阻分析：選AC熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發生變化，故A正確，B錯誤；光敏電阻的阻值隨光照的變化而變化，而定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨光照的變化而變化，故C正確，D錯誤。2.[多項選擇]以以下圖為某霍爾元件的工作原理表示圖，該元件中電流I由正電荷的定向運動形成。以下說法正確的選項是()A．M點電勢比N點電勢高B．用霍爾元件能夠丈量地磁場的磁感覺強度C．用霍爾元件能夠把磁學量變換為電學量D．若保持電流I恒定，則霍爾電壓UH與B成正比分析：選BCD當正電荷定向運動形成電流時，正電荷在洛倫茲力作用下向N極齊集，M極感覺出等量的負電荷，所以M點電勢比N點電勢低，選項A錯誤；依據霍爾元件的特色可知，選項B、C正確；因霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)，保持電流I恒準時，霍爾電壓UH與B成正比，選項D正確。3．溫度傳感器寬泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家電產品中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特色工作的。如圖甲中，電源的電動勢E＝9.0V，內電阻可忽視不計；G為敏捷電流表，內阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變化關系如圖乙的R-t圖線所示，閉合開關，當R的溫度等于120℃時，電流表示數I1＝3mA，求：(1)電流表G的內阻Rg。(2)當電流表的示數I2＝1.8mA時，熱敏電阻R的溫度。分析：(1)由題圖乙知熱敏電阻R的溫度在120℃時，電阻為2kΩ，閉合電路的電流為I1＝3mA依據閉合電路歐姆定律得：Rg＝eq\f(E,I1)－R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,3×10－3)－2×103))Ω＝1000Ω。(2)當電流表的示數I2＝1.8mA時R＝eq\f(E,I2)－Rg＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,1.8×10－3)－1×103))Ω＝4000Ω由題圖乙可知當熱敏電阻R阻值為4000Ω時的溫度為20℃答案：(1)1000Ω(2)20℃電容式傳感器常有電容式傳感器名稱傳感器原理測定角度θ的電容式傳感器當動片與定片之間的角度θ發生變化時，惹起極板正對面積S的變化，使電容C發生變化，知道C的變化，就能夠知道θ的變化狀況測定液面高度h的電容式傳感器在導線芯的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中，導線芯和導電液體構成電容器的兩個極，導線芯外面的絕緣物質就是電介質，液面高度h發生變化時，惹起正對面積發生變化，使電容C發生變化。知道C的變化，就能夠知道h的變化狀況測定壓力F的電容式傳感器待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，膜片發生形變，使極板間距離d發生變化，惹起電容C的變化，知道C的變化，就能夠知道F的變化狀況測定位移x的電容式傳感器跟著電介質進入極板間的長度發生變化，電容C發生變化，知道C的變化，就能夠知道x的變化狀況[典例]以以下圖為測定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、敏捷電流表(零刻度在中間)和電源串聯成閉合回路，當壓力F作用于可動膜片電極上時，膜片發生形變，惹起電容的變化，致使敏捷電流表指針偏轉，在對膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實線地點并保持固定的過程中，敏捷電流表指針偏轉狀況為(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏)()A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不動D．向左偏到某一刻度后不動[思路點撥]依據電容的公式C＝eq\f(εrS,4πkd)和C＝eq\f(Q,U)，按以下思路進行分析。eq\x(\a\al(壓力F,作用下))→eq\x(d變化)→eq\x(C變化)→eq\x(Q變化)→eq\x(\a\al(回路中,產生電流))[分析]壓力F作用時，極板間距d變小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，電容器電容C變大，又依據Q＝CU，極板帶電荷量變大，所以電容器應充電，敏捷電流計中經過由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏。F不變時，極板保持固定后，充電結束，指針回到零刻度。應選A。[答案]A電容式傳感器是應用了電容器的電容跟板間距離、正對面積、電介質及惹起它們改變的要素(如力、位移、壓強、聲音等)的關系，將這些非電學量轉變為電容器的電容這個電學量。1.[多項選擇]電容式話筒的保真度比動圈式話筒好，其工作原理以以下圖。Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電。當聲波使膜片振動時，電容發生變化，電路中形成變化的電流。在膜片向右運動的過程中()A．電容變大B．電容變小C．導線AB中有向左的電流D．導線AB中有向右的電流分析：選AC聲波使膜片向右振動，MN間距減小，電容變大，A正確，B錯誤；MN間的電壓不變，由Q＝CU知Q變大，連續充電，則導線AB中有向左的電流，C正確，D錯誤。2．察看以以下圖的電容式傳感器，并回答以下問題。(1)圖甲是________的電容式傳感器，原理是_______________________________________________________________________________________________________。(2)圖乙是________的電容式傳感器，原理是_____________________________________________________________________________________________________。(3)圖丙是________的電容式傳感器，原理是_____________________________________________________________________________________________________。(4)圖丁是________的電容式傳感器，原理是___________________________________________________________________________________________________________。分析：(1)圖甲是角度的電容式傳感器，其原理是當動片旋進的角度不同樣時，電容器的正對面積不同樣，電容不同樣。(2)圖乙是液體的電容式傳感器，其原理是導電液體相當于電容器的一個極板，當液體深度發生改變時，相當于兩極板的正對面積發生改變，電容也隨之改變。(3)圖丙是壓力的電容式傳感器，其原理是看作用在一個電極的壓力改變時，金屬片發生形變，兩極板的距離發生改變，電容也發生改變。(4)圖丁是位移的電容式傳感器，其原理是電介質板和物體固定在一同，當物體發生一小段位移時，插入兩極板間的電介質發生變化，致使電容發生變化。答案：看法析1．光傳感器的作用是()A．利用光敏電阻將光信號轉變為電信號B．利用光敏電阻將電信號轉變為光信號C．利用光敏電阻將光信號與電信號相互轉變D．以上說法都不正確分析：選A光傳感器是利用光信號的強弱對應電阻不同樣而實現把光信號轉變為電信號的。2．對于傳感器工作的一般流程，以下說法中正確的選項是()A．非電學量→敏感元件→變換電路→電學量→變換元件B．電學量→敏感元件→變換電路→變換元件→非電學量C．非電學量→敏感元件→變換元件→變換電路→電學量D．非電學量→變換電路→變換元件→敏感元件→電學量分析：選C傳感器工作的一般流程為非電學量eq\o(→,\s\up7(被))敏感元件eq\o(→,\s\up7(感知，此后經過))變換元件eq\o(→,\s\up7(變換成電信號，再經過))變換電路eq\o(→,\s\up7(將此信號變換成,易于傳輸或丈量的))電學量，所以A、B、D錯，C對。3．[多項選擇]以以下圖是用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡單水污介入示器，以下說法中正確的選項是()A．嚴重污染時，LDR是高電阻B．輕度污染時，LDR是高電阻C．不論污染程度如何，LDR的電阻不變，阻值大小由資料自己要素決定D．該儀器的使用會因為白日和夜晚遇到影響分析：選AD嚴重污染時，透過污水照到LDR上的光芒較少，LDR電阻較大，A對，B錯；LDR由半導體資料制成，受光照影響電阻會發生變化，C錯；白日和夜晚自然光強弱不同樣，或多或少會影響LDR的電阻，D對。4．有一電學元件，溫度高升時其電阻減小，這類元件可能是()A．金屬導體B．光敏電阻C．熱敏電阻D．霍爾元件分析：選C金屬導體電阻一般隨溫度高升而增大，光敏電阻是隨光照強度的增大而減小，正溫度系數熱敏電阻的阻值隨溫度的高升而增大，負溫度系數熱敏電阻的阻值隨溫度的高升而減小，霍爾元件隨磁感覺強度的增大而增大，故C對，A、B、D錯。5．[多項選擇]以以下圖，電容式觸摸屏的結構主假如在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導體層內形成一個低電壓溝通電場。在觸摸屏幕時，因為人體是導體，手指與內部導體層間會形成一個特別電容(耦合電容)，電流由四邊電極流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏后的控制器便會計算電流的比率及強弱，正確算出觸摸點的地點。由以上信息可知()A．電容式觸摸屏的兩極板分別是導體層和手指B．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越大C．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容越小D．假如用戴了較厚手套的手觸摸屏幕，仍舊能惹起觸摸屏動作分析：選AB電容觸摸屏在原理上把人體看作電容器的一個極板，把導體層看作另一個極板，故A正確；手指與屏的接觸面積越大，兩個極板的正對面積越大，故電容越大，B正確，C錯誤；假如戴了手套或手持不導電的物體觸摸時沒有反應，這是因為手與導體層距離較大，不可以夠惹起導體層電場的變化，D錯誤。6.[多項選擇]以以下圖是某居住小區門口利用光敏電阻設計的行人監控裝置，R1為光敏電阻、R2為定值電阻，A、B接監控裝置，則()A．當有人經過而遮住光芒時，A、B之間電壓高升B．當有人經過而遮住光芒時，A、B之間電壓降低C．當僅增大R2的阻值時，可增大A、B之間的電壓D．當僅減小R2的阻值時，可增大A、B之間的電壓分析：選BCR1是光敏電阻，當有人經過而遮住光芒時，R1的阻值變大，回路中的電流I減小，A、B間的電壓U＝IR2減小，故A項錯誤，B項正確；由閉合電路歐姆定律得U＝E－I(R1＋r)，當僅增大R2的阻值時，電路中的電流減小，A、B間的電壓U增大，故C項正確；當減小R2的阻值時，電路中的電流增大。A、B間的電壓U減小，故D項錯誤。7.以以下圖，一段長方體形導電資料，左右兩頭面的邊長分別為a和b，內有帶電荷量為q的某種自由運動電荷。導電資料置于方向垂直于其前表面向里的勻強磁場中，內部磁感覺強度大小為B。當通以從左到右的穩恒電流I時，測得導電資料上、下表面之間的電壓為U，且上表面的電勢比下表面的低。由此可得該導電資料單位體積內自由運動電荷數及自由運動電荷的正負分別為()A.eq\f(IB,|q|aU)負B.eq\f(IB,|q|aU)正C.eq\f(IB,|q|bU)負D.eq\f(IB,|q|bU)正分析：選C因導電資料上表面的電勢比下表面的低，故上表面帶負電荷，依據左手定章可判斷自由運動電荷帶負電，則B、D兩項均錯；設長方體形資料長度為L，總電荷量為Q，則其單位體積內自由運動的電荷數為eq\f(Q,|q|ab·L)，當電流I穩恒時，資料內的電荷所受電場力與磁場力相互均衡，則有eq\f(UQ,a)＝BIL，故eq\f(Q,|q|ab·L)＝eq\f(IB,|q|bU)，A項錯誤，C項正確。8．如圖甲所示的電路中，光敏電阻R2加上圖乙所示的光照時，R2兩頭的電壓變化規律是()分析：選B光敏電阻隨光照的加強電阻減小，電路中電流增大，電阻R1兩頭電壓增大，R2兩頭電壓減小，但不可以夠減小到零。應選項B正確。9．壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學利用壓敏電阻設計了判斷小車運動狀態的裝置，其工作原理如圖甲所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間擱置一個絕緣重球。小車向右做直線運動過程中，電流表示數如圖乙所示，以下判斷正確的選項是()A．從t1到t2時間內，小車做勻速直線運動B．從t1到t2時間內，小車做勻加快直線運動C．從t2到t3時間內，小車做勻速直線運動D．從t2到t3時間內，小車做勻加快直線運動分析：選D在0～t1內，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快直線運動，在t1～t2內，I變大，壓敏電阻阻值變小，壓力變大，小車做變加快運動，A、B均錯。在t2～t3內，I不變，壓力恒定，小車做勻加快直線運動，C錯，D對。10.為監測某化工廠的污水排放量，技術人員在該廠的排污管尾端安裝了以以下圖的流量計。該裝置由絕緣資料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左、右兩頭張口。在垂直于上、下底面方向加磁感覺強度大小為B的勻強磁場，在前、后兩個內側面分別固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時間內排出的污水體積)，以下說法中正確的選項是()A．若污水中正離子