《2017-2018学年高中物理 第六章 传感器 1 传感器及其工作原理学案 新人教版选修3-2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2017-2018学年高中物理 第六章 传感器 1 传感器及其工作原理学案 新人教版选修3-2（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 传感器及其工作原理目标定位1.知道什么是传感器，理解传感器的工作原理.2.掌握制作传感器的常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等的基本特性及工作原理.3.初步掌握各种常用元件的简单应用.一、传感器1.定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断.2.工作原理敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的.转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件.转换电路：将转换元件输出的不易测
2、量的非电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等.深度思考传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用？答案传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.例1传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图1中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A
3、(实质是理想的电流表)组成.图1压力传感器表面能承受的最大压强为1107 Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示.设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8 V，取g10 m/s2.请回答：压力F/N02505007501 0001 2501 500电阻R/300270240210180150120(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘_A处.(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20 mA，则这个人的体重是_ kg.答案(1)1.6102(2)50解析(1)由题图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R300 ，此时
4、A中电流I A1.6102A.(2)当电流I20 mA20103 A时，压力传感器的电阻R 240 ，对应表格中，这个人的体重为50 kg.传感器问题的分析思路不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化.因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化.二、光敏电阻1.特点电阻值随光照增强而减小.2.原因分析光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好.3.作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.例2如图2所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时()
5、图2A.电压表的示数增大 B.R2中电流减小C.小灯泡的功率增大 D.电路的路端电压增大解析当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误；由路端电压减小，R1两端电压增大知，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，则小灯泡的功率增大，故C项正确.答案ABC三、热敏电阻和金属热电阻氧化锰热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度升高而减小电阻率随温度升高而增大制作材料半导体金属优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用把温度这个
6、热学量转换为电阻这个电学量深度思考热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小？答案不是.正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小.例3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()图3A.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消耗的功率增大解析当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I知I变小，又UEIr，电压
7、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E，QCU2可知Q、E都增大，故A正确，C错误.答案AB解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题：明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性；解题思路：R局四、霍尔元件1.构造在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件.2.原理E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图4所示).图43.作用霍尔元件能够把磁感应
8、强度这个磁学量转换为电压这个电学量.深度思考如图4所示，霍尔元件中M、N间的电压UH如何计算？(在图中设E、F间通入的电流恒为I，外加磁场为B，薄片厚度为d，单位体积内载流子数为n，单个载流子所带电荷量为q)答案该霍尔元件中的载流子受到磁场力作用发生偏转，造成半导体内部出现电场.载流子同时受到电场力作用.当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到稳定，且有qqvB(L为MN之间的宽度)再根据电流的微观解释InqSvSLd由整理后，得UH.令k，所以UHk.例4如图5所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，
9、问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？图5解析因为自由电荷为电子，运动方向与电流方向相反，故由左手定则可判定向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U，当运动的自由电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，有eevB，因为导体中的电流IneSvnevbd，故U答案下表面电势高霍尔电势高低的判断方法：由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向.在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是
10、负电荷.1.(对传感器的理解)用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程.下列属于这类传感器的是()A.红外报警装置B.走廊照明灯的声控开关C.自动洗衣机中的压力传感装置D.电饭煲中控制加热和保温的温控器答案A解析遥控器是利用红外线传输信号的，故A项正确.2.(光敏电阻的特性)如图6所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，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，闭合开关S后，下列说法中正确的是()图6A.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，L消耗的功
11、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解析当滑动触头P向左移动时，使其电阻减小，则流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，则L消耗的功率增大，A正确，B、D错误；当滑动触头P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误.3.(热敏电阻的特性)如图7所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时()图7A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱答案C解析R2与灯泡L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻R2温度降低时，它的电阻值增大，外电路电阻增大，电流
12、表读数减小，灯泡L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错.4.(霍尔元件原理分析及应用)(多选)如图8所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，相对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证UH随B的变化情况.以下说法中正确的是()图8A.增大穿过霍尔元件工作面的磁感应强度B时，UH将变大B.在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C.在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化答案ABD解析AB增强，由UHk，知UH将变大正确B地球两极处磁场
13、可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平正确C赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直错误D若磁场与工作面夹角为，则应有qvBsin q，可见变化时，UH将变化正确题组一对传感器的理解1.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为()A.改变湿度 B.改变温度C.改变磁场 D.改变电容答案D解析手靠近干手机后，使电容式传感器的电容改变，干手机内的电热器工作.2.传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件.如图1所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转
14、化为电信号.电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜.若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中()图1A.a、b板之间的电场强度不变B.a、b板所带的电荷量不变C.电路中始终有方向不变的电流D.向右位移最大时，电容器的电容最大答案D解析a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E知场强变化，A错误；由C知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确；由QCU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误.3.(多选)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置.由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图2所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是()图2A.甲图的传感器可以用来测量角度B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度C.丙图的传感器可以用来测量压力D.丁图的传感器只能用来测量速度答案ABC题组二光敏电阻的特性4.如图3所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针的偏角为；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为，则可判断()图3
