2.常見傳感器的工作原理及應用

核心素養定位>>>

1.了解常見的敏感元件及其特性。2.了解常見傳感器的工作原理及簡單應用。

課前自主,

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一、光敏電阻

1.特性：有一些物質，例如硫化鎘，電阻率與G所受光照的強度有關,由此可制成光敏

電阻。光敏電阻是光電傳感器中常見的絲光敏元件。

2.原理：硫化鎘是一種西半導體材料,無光照B寸，載流子極區少,導電性能匹差;隨著

光照的增強，載流子國增多,導電性變國好。

3.作用：能夠把因光照強弱這個光學量轉換為若電阻這個電學量。

4.應用：在產品生產的流水線上利用光敏電阻對產品計數。

二、金屬熱電阻和熱敏電阻

1.金屬熱電阻和熱敏電阻是常見的感知以溫度的敏感元件。

2.特性：金屬的電阻率隨溫度的升高而四增大,用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱

電阻；有些半導體在溫度上升時導電能力四增強,因此可以用半導體材料制作熱敏電阻。

3.優缺點比較：與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩定性圖好，測溫范圍國大,但靈

敏度匹較差。

4.作用：能夠把四溫度這個熱學量轉換為西電阻這個電學量。

5.應用：測量溫度、汽車的低油位報警裝置等。

三、電阻應變片

1.電阻應變片是一種使用非常廣泛的四方敏元件。

2.兩種電阻應變片

(1)金屬電阻應變片的原理：金屬導體在外力作用下發生域機械形變(伸長或縮短)時,其

電阻隨著它因所受機械形變的變化而發生變化的現象,稱為金屬的但1電阻應變效應。

(2)半導體電阻應變片的原理：基于半導體材料的質壓阻效應。

3.作用：能夠把因物體形變這個力學量轉換為￡1電阻這個電學量。

4.應用：應變式力傳感器

(1)結構：由的金屬梁和電阻應變片組成。

(2)用途：測量因重力、汽車和卷揚機的牽引力等。

5.電容式傳感器

電容器的電容C決定于極板的四正對面積S、極板間的口距離d以及極板間的超電介質

這三個因素。如果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那

么，通過測定電容器的電容就可以確定這個物理量的變化，由此可以制成電容式傳感器。

判一判

(1)光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化，光照越強，電阻越大。()

(2)有些熱敏電阻在溫度升高時阻值變小。()

(3)金屬熱電阻在溫度升高時阻值變小。()

(4)電子秤使用的測力器件是力傳感器，由金屬梁和應變片組成，應變片是敏感元件。

()

(5)電容式傳感器只能將位移這個力學量轉換為電容這個電學量。

(6)霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。()

提示：⑴X⑵V(3)X(4)V(5)X(6)V

課堂探究.

--------------------------------------------------------------------------------KETANGTANJIUPINGJIA----------

課堂任務叫光敏電阻

仔細觀察下列圖片，認真參與“師生互動”。

圖1圖2

活動1：將圖1光敏電阻接到多用電表的兩端，選擇開關置于倍率為X100的電阻擋(圖

2),先后在室內自然光照射、用手掌遮光、用陽光直接照射，光敏電阻阻值的變化特點是什

么？

提示：光照強度越強，光敏電阻的阻值越小。

活動2：換用一只普通的電阻，小心地把它表面的漆層除去一些，使里面的導電膜露出

來接受光照。重做上述實驗，結果相同嗎？

提示：不同，普通電阻的阻值幾乎不變。

圓畫I圉囤

1.光敏電阻

(1)有一些物質，例如硫化鎘，電阻率與所受光照的強度有關。把硫化鎘涂敷在絕緣板上,

在其表面再用銀漿涂敷兩個互不相連的梳狀電極，如圖所示，這樣就制成了一個光敏電阻。

硫化鎘表面受到的光照強度不同時，兩個電極間的電阻也不一樣。

(2)光敏電阻在被光照射時電阻發生變化的原因：硫化鎘是一種半導體材料，無光照時,

載流子極少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。

(3)光敏電阻的作用：能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。

說明：光敏電阻是光電傳感器中常見的光敏元件，除此之外，還有光電二極管等。

2.光敏電阻的應用一一光電計數

在產品生產的流水線上，常需要對產品計數。如圖是利用光敏電阻自動計數的示意圖，

其中A是發光儀器,B是接收光信號的儀器,B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。

當傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值較小，供給信號處理系統

的電壓變低；當傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，供給信

號處理系統的電壓變高。這種高低交替變化的信號經過處理，就會轉化為相應的數字，實現

自動計數的功能。

光電計數的基本原理

3.光敏電阻的應用一一測量光照的強度

甲

把光敏電阻、多用電表的直流電流擋和干電池按照如圖甲所示連成電路，這樣就能對光

照的強度進行比較性測量。光敏電阻受到的光照越強，電路中的電流越大。

若按照圖乙所示，把光敏電阻7?的引腳穿過硬泡沫塑料板Z而固定，再罩上內壁涂黑、

長度足夠的遮光筒T,則可避免雜散光的干擾。然后分別把不同的光源L(如蠟燭、幾種不同

功率的白熾燈泡、日光燈管等)放在與光敏電阻相同距離(例如1m)的位置，可根據電流表的

示數比較它們的亮度。

??as

例1如圖所示為一實驗小車中利用光電脈沖測量車速和行程的裝置示意圖，A為光源,

B為光電接收器，A、B均固定在車身上，C為小車的車輪(沒有按實際比例畫)，D為與C同軸

相連的齒輪。車輪轉動時，A發出的光束通過旋轉的齒輪間隙變成光脈沖信號，被B接收并

轉換成電信號，由電子電路記錄和顯示。若實驗顯示單位時間內的脈沖數為n,累計脈沖數

為N,則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理數據是—

小車速度的表達式為凸=,行程的表達式為s=。

I實踐探究I(1)已知〃和用還要知道什么才能求出車輪單位時間內轉動的圈數和總圈

數？

提示：要求單位時間內車輪轉動的圈數和總圈數，還要知道齒輪的齒數。

(2)由車輪轉動的圈數求/和s,還需要知道什么？

提示：單位時間內車輪轉動的圈數及總圈數分別乘以車輪周長，就可求出，和s,所以

還需要知道車輪半徑。

［規范解答］若齒輪的齒數為P,則齒輪轉一圈電子電路記錄顯示的脈沖數為P,已知單

位時間內的脈沖數為n,所以單位時間內齒輪轉動的圈數為k=%

由于齒輪與車輪同軸相連，它們在單位時間內轉動的圈數相等，

設車輪的半徑為凡則小車的速度片=2n必:，

由以上兩式可得『=號*；

N

同理，車輪轉動的總圈數為

9nRN

則小車的行程s=2nRK,即s="〃,

可見，要測出小車的速度丫和行程s,除單位時間內的脈沖數〃和累計脈沖數N外，還

必須測出車輪半徑X和齒輪的齒數P.

［完美答案］車輪半徑"和齒輪的齒數P歲2號召

規律點撥

傳感器的應用通常涉及多方面的物理知識，對于這類問題，首先應理解傳感器的原理，

然后結合相關物理規律解題。

［變式訓練1］如圖所示是某居民小區門口利用光敏電阻設計的行人監控裝置，用為光敏

電阻，尼為定值電阻，爾8接監控裝置。則()

通

道

①當有人通過而遮蔽光線時，力、8之間電壓增大②當有人通過而遮蔽光線時，/、B

之間的電壓減小③當僅增大用的阻值時，爾6之間的電壓增大④當僅減小用的阻值時，

48之間的電壓增大

A.①@B.①④C.②③D.②④

答案C

解析石是光敏電阻，有光照射時，阻值變小，當有人通過而遮蔽光線時，入的阻值變

大，回路中的電流/減小，4、6之間的電壓〃=/用減小，故①錯誤，②正確；由閉合電路歐

姆定律得：/、8之間的電壓。=6―/(4+r),當僅增大尼的阻值時，電路中的電流減小，4、

6之間的電壓。增大，故③正確；當僅減小花的阻值時，電路中的電流增大，46之間的電

壓〃減小，故④錯誤。故應選C。

課堂任務金屬熱電阻和熱敏電阻

仔細觀察下列圖片，認真參與“師生互動”。

-熱敏電阻金屬熱電阻

回國國畫|

活動1：可以用半導體材料制作熱敏電阻，有一種熱敏電阻是用氧化鐳等金屬氧化物燒

結而成的。如圖1,將多用電表的選擇開關調到電阻擋，并選擇適當的倍率，然后將一只熱

敏電阻連接到多用電表的兩端，分別用手和冷水改變熱敏電阻的溫度，熱敏電阻的阻值隨溫

度如何變化？

提示：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。

活動2：如圖2,將多用電表的選擇開關調到電阻擋，并選擇適當的倍率，然后將一只金

屬熱電阻連接到多用電表的兩端，分別用手和冷水改變金屬熱電阻的溫度，金屬熱電阻的阻

值隨溫度如何變化？

提示：金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大。

S畫?囤

1.金屬熱電阻

R

0

金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。如圖

為某金屬導線的電阻一溫度特性曲線。

2.熱敏電阻

有些半導體在溫度上升時導電能力增強，如圖所示，因此可以用半導體材料制作熱敏電

阻。

3.熱敏電阻和金屬熱電阻的區別和聯系

⑴區別

①熱敏電阻和金屬熱電阻的導電能力與溫度的變化關系不相同，有些熱敏電阻的導電能

力隨溫度的升高而增強；金屬熱電阻的導電能力隨溫度的升高而降低。

②熱敏電阻靈敏度高，但化學穩定性較差，測量范圍較小；金屬熱電阻的化學穩定性較

好，測量范圍較大，但靈敏度較差。

(2)聯系：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量。

4.應用

(1)利用金屬熱電阻和熱敏電阻的阻值與溫度之間的對應關系，制作電阻溫度計。

(2)用熱敏電阻檢測油箱的警戒液位，如圖所示，一些汽車的低油位報警裝置采用熱敏電

阻來檢測油箱的警戒液位。若給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發熱。當液面高于熱

敏電阻的高度時，熱敏電阻發出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不

亮(圖甲)。當液體減少、熱敏電阻露出液面時，發熱導致它的溫度上升、阻值較小，指示燈

亮(圖乙)。通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設定值。

甲乙

拓展：其他溫度傳感器

1.雙金屬溫度傳感器

(1)原理

雙金屬溫度傳感器是將兩種具有不同熱膨脹系數的金屬貼合在一起制成的。當它溫度升

高時，兩種金屬伸長不一樣而發生彎曲變形，使觸點接通或斷開。

(2)應用

①日光燈啟動器

如圖甲，取一個報廢的日光燈啟動器，去掉外殼，可以看到，在充有然氣的玻璃泡內，

有一個U形的雙金屬片，雙金屬片的旁邊有一根直立的金屬絲，兩者構成一對觸點。常溫下

觸點是分離的，溫度升高時，雙金屬片因形變而與金屬絲接觸。

②電熨斗

a.構造：電熨斗的結構，如圖乙所示。

<調溫旋鈕

彈性銅片

z—升降螺釘

：

3jj—絕緣支架

觸點|'|~0

雙金屬片電熱絲

------o

、金屬底板

乙

b.工作原理

電熨斗的自動溫控原理：內部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖所示，其作用是控制電路

的通斷。常溫下，上、下觸點是接觸的。但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數不同，

上層金屬膨脹系數大，下層金屬膨脹系數小，雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電

源，停止加熱；溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，使觸點重新接觸，電路接通，電熱絲加熱,

這樣循環進行，起到自動控制溫度的作用。需要設定較高的溫度時，則旋轉調溫旋鈕，增大

觸點間壓力；需要設定較低溫度時，則反向旋轉調溫旋鈕，減小觸點間壓力。

2.感溫鐵氧體

(1)原理：感溫鐵氧體由氧化鎘、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結而成。常溫下具有鐵磁性,

能夠被磁體吸引，溫度達到約103℃時，失去鐵磁性，這個溫度稱為該材料的“居里點”，

又稱“居里溫度”。

(2)應用：電飯鍋

①構造：如圖丙所示。

②工作過程

開始煮飯時，用手壓下開關按鈕，永磁體與感溫磁體相吸。手松開后，按鈕不再恢復到

圖示狀態，則觸點接通，電熱板通電加熱；水沸騰后，由于鍋內保持100℃不變，故感溫磁

體仍與永磁體相吸；繼續加熱，直到飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度升高，當溫度升至

“居里點103°C”時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切

斷電源，從而停止加熱。

說明：電飯鍋燒水問題

如果用電飯鍋燒水，水沸騰后，鍋內保持100℃不變，溫度低于“居里點103℃”，電

飯鍋不能自動斷電。只有水燒干后，溫度升高到103"C才能自動斷電。因此，用電飯鍋燒水

不能實現自動控溫。

例2廣泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家用電器中的溫度傳感器，是利用熱敏

電阻阻值隨溫度變化而變化的特性工作的。在圖甲中，電源的電動勢￡=9.0V,內電阻不可

忽略；G為內阻不計的靈敏電流表；吊為保護電阻；4為熱敏電阻，其電阻值與溫度的變化關

系如圖乙的是t圖像所示。則熱敏電阻阻值q與攝氏溫度t的關系為"=；閉合開

關S,當的溫度等于40℃時，電流表示數4=2.25mA,則當電流表的示數4=3.6mA時,

熱敏電阻#的溫度是

I實踐探究(1)如何根據圖像得到《與力的關系式?

提示：從圖線上取兩個點，運用數學函數的知識列方程組求解。

(2)如何求熱敏電阻"的溫度？

提示：先根據閉合電路歐姆定律得到熱敏電阻的電阻值，然后由題圖乙或代入熱敏電阻

阻值與攝氏溫度的函數關系式得到對應的溫度。

［規范解答］設熱敏電阻的電阻值A與攝氏溫度t的關系式為：R=kt+R。,由題圖乙可

知：

當t=40℃時，1=3.5kQ,貝ij：

3.5kQ=40℃?A+用①

當力=120℃時，R=2kQ,則：

2kQ=120℃?4+吊②

由①②解得：A?=-0.01875kQ/℃,而=4.25kQ

故熱敏電阻7?與攝氏溫度￡的關系為：

/?=（-18.751+4250）Q。

閉合開關S,當A的溫度等于40℃時，"3.5kQ,電流表示數乙=2.25mA,根據閉

合電路歐姆定律，有：

/'=r+3③

E

當電流表的示數A=3.6mA時，根據閉合電路歐姆定律，有：

r+Zr十吊

聯立③④并代入數據解得：R'=2.0kQ,由題圖乙可知

此時熱敏電阻阻值火的溫度為￡=120

［完美答案］（一18.75t+4250）Q120

規律點撥

傳感器將非電學量轉換為電學量，所以傳感器的應用一般涉及閉合電路的相關知識，有

時還要結合給出的圖像解答。

［變式訓練2—1］（2020?陜西省延安市第一中學高二上學期期中）半導體溫度計是用熱

敏電阻制作的，如圖所示，如果待測點的溫度升高，那么（）

A.熱敏電阻阻值變大，靈敏電流表示數變大

B.熱敏電阻阻值變大，靈敏電流表示數變小

C.熱敏電阻阻值變小，靈敏電流表示數變大

D.熱敏電阻阻值變小，靈敏電流表示數變小

答案C

解析一般熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而變小，由閉合電路歐姆定律可知，電阻阻值

變小，電流變大，即靈敏電流表示數變大，故C正確。

［變式訓練2—2］如圖甲是用某金屬材料制成的電阻阻值不隨攝氏溫度t變化的圖像，

圖中吊表示該電阻在0°C時的電阻值，已知圖線的斜率為九若用該電阻與電池（電動勢為反

內阻為r）、理想電流表A、滑動變阻器*串聯起來，連接成如圖乙所示的電路，用該電阻

做測溫探頭，把電流表A的電流刻度改為相應的溫度刻度，就得到了一個簡單的“金屬電阻

溫度計”。

（1）根據圖甲，溫度為力〃>0℃）時電阻A的大小為________。

（2）在標示“金屬電阻溫度計”的溫度刻度時，需要弄清所測溫度和電流的對應關系。請

用反瓜、*（滑動變阻器接入電路的阻值）、〃等物理量表示待測溫度力與電流/的關系式

t—O

答案（1）吊（2）R'+「+屈

解析（1）題圖甲圖線的斜率為A,縱截距為"，為一次函數，所以圖線的表達式為：R

=R<、+kt,則溫度為力時電阻7?=吊+北。

（2）根據閉合電路歐姆定律可得：￡=/（7?+*+r）,將A=而+M代入可得：t=7

K

~E-

7-R'+r+必o

課堂任務因電阻應變片

仔細觀察下列圖片，認真參與“師生互動”。

，應變片I

.應變片I

甲電阻應變片乙應變片測力原理

園閨國I圓

活動1:當金屬絲受到拉力時，電阻如何變化？受到壓力時呢？

提示：當金屬絲受到拉力時，長度變長、橫截面積變小，導致電阻變大；當金屬絲受到

壓力時，長度變短、橫截面積變大，導致電阻變小。

活動2：上述活動的效應稱為金屬的電阻應變效應，據此制成了圖甲所示的金屬電阻應

變片。電阻應變片有什么作用？

提示：電阻應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為電阻這個電學量。

活動3：如圖乙，在金屬梁的上下表面各貼一個應變片，就制成了一個應變式力傳感器。

應變片的電阻與作用在梁的自由端的力尸的大小有什么關系？

提示：在金屬梁沒有受力時，金屬梁處于水平狀態，梁的上下應變片的長度不變且相等,

兩應變片的電阻也相等。當給金屬梁施加豎直向下的力尸時，金屬梁會向下彎曲，使得金屬

梁上表面的應變片被拉伸，電阻變大，而下表面的應變片被壓縮，電阻變小。力尸越大，彎

曲形變越大，上、下表面應變片電阻的差值就越大。

劇畫圉囹

1.電阻應變片

電阻應變片

金屬導體在外力作用下發生機械形變(伸長或縮短)時，其電阻隨著它所受機械形變的變

化而發生變化的現象，稱為金屬的電阻應變效應。金屬電阻應變片就是利用這一原理制成的。

除了金屬電阻應變片外，常用的電阻應變片還有半導體電阻應變片，它的工作原理是基于半

導體材料的壓阻效應。當單晶半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的

現象，稱為壓阻效應。

2.應變式力傳感器

(1)結構

常用的一種力傳感器是由金屬梁和電阻應變片組成的，其結構如圖甲所示，稱為應變式

力傳感器。

(2)原理

應變式力傳感器的工作原理如圖乙所示。彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下

表面各貼一個應變片。在梁的自由端施力F,則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上

表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小。力6越大，彎曲形變越大，應變片的電

阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變大，

下表面應變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力b越大，輸出的電壓差

值也就越大。

(3)應用

力傳感器除了可以測量重力外(圖丙)，應變式力傳感器也用來測量其他各種力，如汽車

和卷揚機的牽引力等。

力傳感器

丙力傳感器的應用

說明：除了利用應變片制成的應變式力傳感器，還有其他力傳感器。

3.電容式傳感器

(1)原理：以平行板電容器為例，其電容大小，=言得如果某個物理量的變化能引起

S、d的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定這個物

理量的變化，由此可以制成電容式傳感器。

(2)應用

①手機觸摸屏

②電容式位移傳感器

如圖所示，當被測物體在左、右方向發生位移時，電介質板隨之在電容器兩極板之間移

動。如果測出了電容的變化，就能知道物體位置的變化。

電容式位移傳感器能把物體的位移這個力學量轉換為電容這個電學量.

例3常見的一種力傳感器由彈簧鋼和應變片組成，其結構示意圖如圖甲所示。彈簧鋼

右端固定，在其上、下表面各貼一個相同的應變片。若在彈簧鋼的自由端施加向下的作用力

F,則彈簧鋼發生彎曲，上應變片被拉伸，下應變片被壓縮。應變片采用半導體材料制成，其

阻值與長度成正比。給上、下應變片提供相等且恒定不變的電流，上應變片兩端電壓為〃，

下應變片兩端電壓為我傳感器把這兩個電壓的差值〃(〃=〃一㈤輸出，用來反映力夕的大

小。半導體應變片的阻值隨溫度會發生變化，其變化情況如圖乙所示。為消除氣溫變化對測

量精度的影響，需分別給上、下應變片串聯一合適的電阻，進行溫度補償。串聯合適的電阻

后，測量結果不再受溫度影響。

彈簧鋼L7.太/

R/n

固

定

端/應變片;端

I--仇—

甲乙

(1)力尸越大，彈簧鋼的彎曲程度越(選填“大”或“小”)，傳感器輸出的電壓

〃越(選填“大”或“小”)。

(2)外力為“時，上、下應變片的電阻分別是用、用；外力為后時，上、下應變片的電

阻分別是用'、是'。若￡＞&且均向下，則吊、石、、府從大到小排列正確是_。

A.R，R?R\'〉RJB.R〉R\'＞尬放

C.R〉R》R］＞吊'D.R〉R\'＞是'＞用

(3)如果未進行溫度補償，自由端受到相同的力/作用，該傳感器下應變片兩端的電壓

叢冬天比夏天(選填“大”或“小”)。

(4)進行溫度補償時，給下應變片串聯的電阻最合適的是下列選項圖中的o

I實踐探究I(1)施加力/時，上、下應變片的電阻如何變化?

提示：上應變片的電阻增大，下應變片的電阻減小。

(2)溫度下降時，上、下應變片的電阻如何變化？

提示：都增大。

［規范解答］(1)力尸越大，彈簧鋼的彎曲程度越大，上應變片的長度越大，電阻越大,

下應變片的長度越短，電阻越小。當提供相等且恒定不變的電流時，根據歐姆定律，可知上

應變片兩端電壓〃越大，下應變片兩端電壓打越小，則傳感器輸出的電壓〃越大。

(2)向下的外力為K時，上、下應變片的電阻分別是后、尼，此時用＞用；向下的外力為

用時，上、下應變片的電阻分別是用‘、尼'，此時於'＞向。若則吊＞用'，R1＞兄,

R、石、R,、RJ從大到小的排列是分＞招'＞用'＞心故D正確。

(3)由題圖乙知I,應變片的電阻冬天時比夏天時大，又應變片的阻值與長度成正比，而冬

天和夏天時應變片自由端未施加力時，應變片的長度相同，故施加相同的力時，應變片的電

阻冬天比夏天增加得大，所以該傳感器下應變片兩端的電壓&冬天比夏天大。

(4)進行溫度補償后原半導體應變片的阻值與補償電阻的阻值之和不隨溫度變化，結合圖

乙可知，B正確。

［完美答案］⑴大大(2)D⑶大(4)B

規律點撥

力學傳感器的分析方法

(1)分析清楚力學傳感器的工作原理,明確裝置是如何將力這個非電學量轉換為電學量是

解決該類問題的關鍵。

2涉及電路計算時，注意閉合電路的歐姆定律及分壓原理的應用。

［變式訓練3］如圖甲a所示為測量血壓的壓力傳感器在工作時的示意圖，測量血壓時將

薄金屬片P放在手臂的血管上，薄金屬片P上固定四個電阻兆、尼、尼、吊(如圖乙a所示，

且四個電阻通電時的電流方向都是縱向的)，圖甲b是金屬片P的側視圖。四個電阻與電源、

電壓表、滑動變阻器連接成圖乙b電路。

甲乙

(1)開始時，薄金屬片P中央的。點未施加任何壓力，要使電壓表示數為0,則四個電阻

的阻值應滿足的關系是.

(2)當給〃點施加一個壓力尸后薄金屬片P發生形變，四個電阻也隨之發生形變，形變后

四個電阻的阻值如何變化？R\、R、R.、R.o(均選填“增

大”“減小”或“不變”)

(3)電阻變化后，電路中的4、6兩點的電勢"(選填"高于”“低于”或“等

于“)。

(4)簡述血壓計測血壓的原理：o

(5)圖乙b電路中，若電橋已經平衡，現將電源和電壓表互換位置，則電橋________(選

填“仍然平衡”或“不能平衡”)。

答案(1)4=5(2)增大減小減小增大

(3)高于(4)電壓表的示數隨壓力的變化而變化

(5)仍然平衡

解析(1)電壓表示數為0,即/!、〃兩點電勢相等，則%i=U心=U汕,設通過A、R&

的電流分別為/、I',則/后=/'用，/尼=/'R、,消去/、I',得H

n2n\

(2)當給。點施加一個壓力/后，薄金屬片P發生形變，由于四個電阻是固定在金屬片上

的，因此小、花被拉長，R、后被拉寬，根據可知石、兄增大，尼、后減小。

(3)串聯電路中，若電阻增大，其兩端電壓增大；若電阻減小，其兩端電壓減小。則知在

R、展的串聯電路上用兩端的電壓增大，在后、兄的串聯電路上用兩端的電壓減小，所以力

點電勢血高于6點電勢"

(4)測量血壓時，血壓越高，壓力廠越大，金屬片形變越顯著，電阻變化越大，因而電壓

表示數越大，于是就能根據電壓表示數的大小來測量血壓的高低了。血壓計測血壓的原理是

電壓表的示數隨壓力的變化而變化。

(5)圖乙b電路中，若電橋已經平衡，則有.=.，可知4=5,若將電源和電壓表互換

/t2K\ZU

位置，電路如圖所示，可知電橋仍然平衡。

課堂任務酊霍爾元件

仔細觀察下列圖片，認真參與“師生互動”。

乙霍爾元件

活動1:如圖甲，在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，當磁場方向與電流方向

垂直時，會發生什么現象？

提示：導體中能夠自由移動的帶電粒子在洛倫茲力的作用下，向著與電流、磁場都垂直

的方向漂移，繼而在該方向上出現了電勢差。

活動2：1879年，美國物理學家霍爾觀察到此現象，后來大家把這個現象稱為霍爾效應。

如圖乙，在一個很小的矩形半導體(如神化錮)薄片上制作四個電極E、F、M、N,它就成了一

個霍爾元件。在電極E、F間通入恒定的電流/,同時外加與薄片垂直的磁感應強度為8的磁

場，則在電極M、N間可出現霍爾電壓以。仔與6有什么關系？

提示：當導體中能夠自由移動的帶電粒子所受洛倫茲力與靜電力平衡時，以達到穩定狀

態，此時有端，力是電極M、N間的距離。設導體中單位體積中的自由電荷數為〃，霍

爾元件上下表面間的距離為d,則S=hd,聯立可得4產焉

活動3：霍爾元件有什么用處？

提示：通過分析可知，霍爾電壓優與磁感應強度6有線性關系，因此利用霍爾元件可以

測量磁感應強度的大小和方向。

1.霍爾效應

1879年，美國物理學家霍爾觀察到，在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體，如圖

所示，當磁場方向與電流方向垂直時，導體在與磁場方向和電流方向都垂直的方向上出現了

電勢差。這個現象稱為霍爾效應，所產生的電勢差稱為霍爾電勢差或霍爾電壓。

霍爾效應

2.霍爾元件及其工作原理

霍爾元件就是利用霍爾效應制成的。如圖所示，在一個很小的矩形半導體薄片上制作四

個電極，它就成了一個霍爾元件。在電極E、F之間通入恒定的電流/,垂直于薄片加磁感應

強度為6的勻強磁場，則在M、N間會出現電勢差優。

設薄片厚度為d,E、F間距離為1,M,N間距離為抗薄片中的載流子在洛倫茲力作用

下發生偏轉，使M、N間出現電勢差，即在半導體內部出現電場，載流子同時受到靜電力作用。

當洛倫茲力與靜電力平衡時，MN間的電勢差達到穩定，且有悔=(?如再根據電流的微觀

表?達式I=nqSv=nqvhd,整理得令因為〃為材料單位體積的載流子個數，

。為單個載流子的電荷量，它們均為常數，所以以=塔。

3.常見的幾種傳感器比較

傳感器名稱輸入的物理量輸出的物理量

光敏電阻光照強弱電阻

熱敏電阻溫度電阻

金屬熱電阻溫度電阻

電阻應變片形變電阻

電容式位移傳感器位移電容

霍爾元件磁感應強度電壓

例4(多選)利用如圖所示的方法可以測得金屬導體中單位體積內的自由電子數〃。現測

得一塊橫截面為矩形的金屬導體的寬為。，厚為4并加有與側面垂直的勻強磁場反當通以

圖示方向電流/時，在導體上、下表面間用電壓表可測得電壓為心已知自由電子的電荷量

為e,則下列判斷正確的是()

A.上表面電勢高

B.下表面電勢高

C.該導體單位體積內的自由電子數為W

該導體單位體積內的自由電子數為聶

D.

I實踐探究(1)金屬導體上下表面電勢的高低由什么決定？

提示：金屬導體上下表面電勢的高低取決于上下表面是帶正電荷還是帶負電荷。

(2)金屬導體中的載流子帶什么電荷？

提示：金屬導體中的載流子為電子，故帶負電。

［規范解答］畫出側視圖如圖所示，由左手定則可知，自由電子向上表面偏轉，故下表

jj8/

面電勢高，B正確，A錯誤。根據力=￡必，1=neSv=nebdv,得故D正確，C錯誤。

［完美答案］BD

規律點撥

霍爾電勢高低的判斷方法

由左手定則判斷帶電粒子的受力方向，如果帶電粒子帶正電荷，則拇指所指的面為高電

勢面，如果帶負電荷，則拇指所指的面為低電勢面，但無論帶正電荷還是負電荷，四指指的

都是電流方向，即正電荷定向移動的方向或負電荷定向移動的反方向。在判斷電勢高低時一

定要注意載流子是正電荷還是負電荷。

［變式訓練4—1］（多選）如圖所示為某霍爾元件的工作原理示意圖，該元件中電流,由

正電荷的定向運動形成。下列說法正確的是（）

A.M極電勢比N極電勢高

B.用霍爾元件可以測量地磁場的磁感應強度

C.用霍爾元件能夠把磁學量轉換為電學量

D.若保持電流/恒定，則霍爾電壓偏與6成正比

答案BCD

解析當該霍爾元件的載流子為正電荷時;載流子在洛倫茲力作用下向N極聚集，在M

極出現等量的負電荷，所以M極電勢比N極電勢低，A錯誤；根據霍爾元件的特點可知，B、

C正確；因霍爾電壓員=母，保持電流/恒定時，霍爾電壓4與6成正比，D正確。

［變式訓練4-2］傳感器是一種采集信息的重要器件，如圖所示是一種壓力傳感器，當

待測壓力/作用在可動膜片電極上時，可使膜片發生形變，引起電容的變化，將電容器、靈

敏電流計和電源串聯接成閉合電路，那么（）

固定電極

膜片電極

A.當尸向上壓膜片電極時，電容將減小

B.當/向上壓膜片電極時，電容不變

C.若電流計有示數，則壓力少發生變化

D.若電流計有示數，則壓力/不發生變化

答案C

解析當尸向上壓膜片電極時,板間距離減小,由電容的決定式知電容器的

電容將增大，故A、B錯誤。當尸變化時，電容變化，而板間電壓不變，根據0=%可知電

容器所帶電荷量0發生變化，電容器將發生充、放電現象，回路中有電流，電流計有示數;

反之，若電流計有示數，壓力/必發生變化，故C正確，D錯誤。

課后課時.作業

KEHOUKESHIZUOYE

A組;合格性水平訓練

1.（光敏電阻）如圖所示是計算機光驅的工作原理：石是光敏電阻（有激光照射時電阻較

小，無激光照射時電阻較大），凡是定值電阻，信號處理系統可以根據是兩端的電壓變化把

光信號變成電信號、用激光頭發射脈沖激光信號掃描光盤，從光盤上反射回來的激光信號照

到光敏電阻用上。下列分析正確的是（）

信號處激

理系統光

A.有激光照射光敏電阻時,信號處理系統兩端獲得的電壓較高

B.有激光照射光敏電阻時,信號處理系統兩端獲得的電壓較低

C.有激光照射光敏電阻時,石消耗的電功率一定增大

D.有激光照射光敏電阻時,用消耗的電功率一定減小

答案A

解析有激光照射光敏電阻用時，光敏電阻尼減小，回路中電流/增大，用兩端電壓“

=/用增大，所以信號處理系統兩端獲得的電壓較高，故A正確，B錯誤。設電源的內阻為八

若是+r>?,則有激光照射光敏電阻用時，用消耗的電功率一定減小：若Rz+KR\,則有激

光照射光敏電阻時，石消耗的電功率可能增大，故C、D錯誤。

2.（熱敏電阻）（2019?山西省朔州市懷仁第一中學高二上學期期中）熱敏電阻傳感器可

用于對火災的監測，其工作電路的原理圖如圖所示。而、兄為定值電阻，洛為熱敏電阻，已

知當溫度升高時熱敏電阻用的阻值減小，則當發生火災時，有（）

A.電壓表、電流表示數均增大

B.電壓表、電流表示數均減小

C.電壓表示數增大，電流表示數減小

D.電壓表示數減小，電流表示數增大

答案D

解析當發生火災時，熱敏電阻的溫度升高，電阻減小，電路中的總電阻減小，由閉合

電路歐姆定律可知，總電流增大；由〃=6一可知，路端電壓減小，即電壓表示數減小；由

于總電流增大，用兩端電壓增大，則并聯部分的電壓減小，尺的電流減小，所以電流表示數

增大，故D正確。

3.（應變式力傳感器）（多選）關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是（）

A.應變片一定是由導體材料制成的

B.當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之，變小

C.傳感器輸出的是應變片上的電壓

D.外力越大，輸出的電壓差值也越大

答案BD

解析應變片還可用半導體材料制成，當應變片表面拉伸時，根據R=其電阻值變

大，故A錯誤，B正確。傳感器輸出的是上、下兩應變片上的電壓差，并且隨著外力的增大,

輸出的電壓差值也增大，故C錯誤，D正確。

4.（電容式傳感器）電容式傳感器是用來將各種非電信號轉換為電容的裝置，由于電容器

的電容C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這幾個因素，當某一物

理量發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。如圖所示是四種電容

式傳感器的示意圖，關于這四種傳感器的作用，下列說法不正確的是（）

固定電極

/

可動電極

待測壓力上

丙

A.圖甲的傳感器可以用來測量角度

B.圖乙的傳感器可以用來測量液面高度

C.圖丙的傳感器可以用來測量壓力

D,圖丁的傳感器可以用來測量速度

答案D

解析圖甲角度變化能導致極板正對面積變化；圖乙液面高度變化能導致極板正對面積

變化；圖丙壓力廠變化能導致極板間距變化；圖丁中位置變化能導致極板間的電介質變化。

所以，甲、乙、丙、丁分別是測角度、液面高度、壓力、位移的傳感器，故選D。

5.（霍爾元件）（多選）自行車速度計利用霍爾效應傳感器獲知自行車的運動速率。如圖甲

所示，自行車前輪上安裝一塊磁體，輪子每轉一圈，這塊磁體就靠近傳感器一次，傳感器會

輸出一個脈沖電壓。圖乙為霍爾元件的工作原理圖，元件內定向運動的自由電子在磁場力作

用下偏轉，前、后表面會產生霍爾電勢差。貝M）

甲乙

A.圖乙中霍爾元件的前表面電勢低于后表面電勢

B,自行車的車速越大，霍爾電勢差越高

C.如果長時間不更換傳感器的電源，霍爾電勢差將減小

D.根據單位時間內的脈沖數和車輪的半徑即可獲知車速大小

答案ACD

解析電流方向水平向左，磁感應強度豎直向下，根據左手定則可知電子受到的洛倫茲

力指向前表面，所以電子會在前表面聚集，電子帶負電，所以霍爾元件的前表面電勢低于后

表面電勢，A正確；當霍爾電壓穩定時，對元件中的自由電子，有g/=4,人為金屬板前后

表面間的距離，電流的微觀表達式為/=〃KV=d是元件的厚度，解得霍爾電勢差

U^Bhv^Bh?—73-—?根據表達式可知霍爾電勢差與自行車的車速無關，B錯誤；如

果長時間不更換傳感器的電源，電流/減小，霍爾電勢差〃將減小，c正確；根據單位時間

2n

內的脈沖數可以求解車輪轉動的周期，根據。=亍可以求解車輪的角速度，結合r=or可

以求解車速大小，D正確。

B組

6.（光電傳感器）如圖為會議室和賓館房間的天花板上裝有的火災報警器的結構原理圖。

罩內裝有發光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板。平時光電三極管接收不到LED發出

的光，呈現高阻狀態（其特性與光敏電阻類似）。發生火災時，下列說法正確的是（）

/擋板

A.進入罩內的煙霧遮擋住了光線，使光電三極管電阻更大，檢測電路檢測出變化發出警

報

B.進入罩內的煙霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發出警報

C.光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測電路檢測出變化發出警報

D.以上說法均不正確

答案B

解析擋板不透明，平時光電三極管接收不到LED發出的光，呈現高阻狀態。發生火災

時，進入罩內的煙霧對光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，光電三極管電阻變小，

檢測電路檢測出變化發出警報，該傳感器是用光傳感器實現報警的，故B正確，A、C、D錯

誤。

7.(金屬熱電阻)小方同學研究銅熱電阻(吊)的溫度特性，將銅熱電阻(吊)接入圖示電路

中，電源內阻可不計，電流表uA和電壓表mV可看作理想電表。

(1)閉合開關S,調節卡到適當阻值，然后保持不變。

(2)將吊置于可控加熱箱中，并使其溫度由0"C逐步上升到100°C,每隔10℃記錄一

次電壓表和電流表的讀數，記錄如下表。

溫度寅七)01020304050

電壓U(mV)0.930.971.011.051.091.14

電流KpA)50.149.949.949.950.050.0

溫度”C)60708090100

電壓U(mV)1.181.211.251.291.34

電流Z(pA)50.150.050.049.050.0

(3)在實驗無誤的情況下，電流表的讀數幾乎不變的原因是：R+R(選填“遠大

于”或“遠小于”)田。

(4)由表格中的數據作出U-t圖像如圖所示，可得在電流恒定時銅熱電阻兩端電壓和溫度

成線性關系，可表示成〃=%(l+a。，由電流表示數恒定有臍=J='(l+ar)=7&(l+ar),

即用=R(l+at)。所以，銅熱電阻的阻值與溫度成關系，由圖可求出a=℃

Wm\

(5)小方同學想利用銅熱電阻的溫度特性和圖中的50HA恒流測溫電路來制作電阻溫度

計。于是用一個內阻為23Q、量程為0.5口A的表頭，串聯一個3300Q的定值電阻來代

替圖中的電壓表，則他應在表頭的表盤上________口A刻度線處標100℃的溫度值。

答案(3)遠大于(4)線性4.1X103(5)0.4