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1、第1节 传感器及其工作原理1.传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。2光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。3热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。4电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。5霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。一、传感器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
2、行测量、传输、处理和控制。二、光敏电阻1特点光照越强，电阻越小。2原因无光照时，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。三、热敏电阻和金属热电阻图6111热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图611所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。图6122金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图612所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。四、霍尔元件1霍尔元件图613如图613所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，
3、制作四个电极E、F、M、N，它就成为一个霍尔元件。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。2霍尔电压UHk(1)其中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。(2)一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。1自主思考判一判(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。()(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。()(3)传感器只能感受温度和光两个物理量。()(4)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。()(5)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。()(6)霍尔元件工作时，产生的
4、电压与外加的磁感应强度成正比。()2合作探究议一议(1)为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？提示：电学量具有易测量，易控制，测量精度和速度较高，易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。(2)光敏电阻和热敏电阻的特性成因相同吗？提示：不相同。半导体材料受到的光照增强时，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，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是光敏电阻的特性成因。对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多
5、，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是热敏电阻的特性成因。(3)霍尔元件的成因是什么？提示：外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左、右两侧会形成稳定的电压。 传感器的工作原理传感器的工作流程如下所示：敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。转换电路：是将转
6、换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量(如电压、电流等)或电路的通断。1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做成的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以上说法都不正确解析：选B大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻。传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的应该是“非电学信号”。故只有B正确。2. (多选)如图614所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化。关于干簧管，下列说法正确的是()图614A干簧管接入电路中相当于电阻的作用B干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的C干簧管接入电路中相当于开关的
7、作用D干簧管是作为电控元件以实现自动控制的解析：选CD干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的。故C、D正确。3当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息()A温度B运动C人 D光线解析：选D自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传
8、给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门。故D正确。光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特点对比元件特点光敏电阻半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小热敏电阻对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小霍尔元件霍尔元件两极间通入恒定的电流，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的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在另两极上形成电压典例如图615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，
9、当温度降低时()图615AR1两端的电压增大B电流表的示数增大C小灯泡的亮度变强D小灯泡的亮度变弱解析R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故选项C正确。答案C含有热敏电阻的电路的动态分析顺序 1. (多选)有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图616所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是()图616A置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻B置入热水中与不置
10、入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻C用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻D用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻解析：选AC热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误。2. (多选)如图617所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法正确的是()图617AM点电势比N点电势高B用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度C用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
11、D若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比解析：选BCD当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压UHk，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。电容式传感器常见电容式传感器名称传感器原理测定角度的电容式传感器当动片与定片之间的角度发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物
12、质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化。知道C的变化，就可以知道h的变化情况测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况测定位移x的电容式传感器随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况典例如图618所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电
13、极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)()图618A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动D向左偏到某一刻度后不动思路点拨根据电容的公式C和C，按以下思路进行分析。解析压力F作用时，极板间距d变小，由C，电容器电容C变大，又根据QCU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。故选A。答案A电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、
14、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。1. (多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图619所示。Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流。在膜片向右运动的过程中()图619A电容变大B电容变小C导线AB中有向左的电流D导线AB中有向右的电流解析：选AC声波使膜片向右振动，MN间距减小，电容变大，A正确，B错误；MN间的电压不变，由QCU知Q变大，继续充电，则导线AB中有向左的电流，C正确，D错误。2观察如图6110所示的电容式传感器，并回答问题。图6110(1)图甲是_的电容式传感器，原理是_。(2)图乙是_的电容式传感器，原理是_
