1、第1节常见传感器的工作原理核心素养明目标核心素养学习目标物理观念知道什么是传感器，知道传感器的组成和作用。科学思维了解传感器将非电学量转换为电学量的一般应用模式。科学探究能通过实验探究光敏电阻及热敏电阻的特性。科学态度与责任了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及应用。知识点一初识传感器1定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置。2功能：传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息采集和转化任务，把非电学量转化为电学量。3组成与结构(1)组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成(2)结构：非电学量敏感元件转换元件电学量CPU温
2、度是由CPU内置的温度传感器侦测到温度之后传达给BIOS显示出来，由BIOS依据温度高低来决定散热风扇的转速，CPU温度传感器的作用是什么？主要由什么元件组成？提示：将非电学量温度转化为电学量输出给BIOS，主要由敏感元件和转换元件组成。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。()(2)敏感元件直接感受被测的量，并输出与被测的量有确定关系的信号。()知识点二敏感元件1光敏元件(1)光敏电阻是一种典型的光敏元件，广泛应用于光敏传感器。(2)光敏电阻的构成物质为半导体材料，当光照射到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其阻值会发生改变。光
3、照越强，被激发出的电子数就越多，电阻就越小。(3)特点：光照越强，电阻越小。2热敏元件(1)热敏电阻是一种常用的热敏元件，广泛应用于温度传感器。(2)热敏电阻由半导体材料制成，其电阻有随温度的改变而改变的特性。(3)分类：电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻。电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。3磁敏元件(1)霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，广泛应用于磁传感器。(2)构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个引出端子，就成为一个霍尔元件。产生霍尔电压的示意图(3)霍尔电压：UHk。其中d为霍尔元件的厚度，k为与材料有关的霍
4、尔系数。对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，则UH完全取决于磁感应强度B。(4)作用：把磁感应强度的测量转换为电压的测量。家用电烤箱在达到预设温度后电热管就会停止加热，当温度降低时电热管启动再次加热直至达到预设温度，思考电烤箱是如何实现自动调控温度的？提示：电烤箱内置温度控制开关含有热敏元件，当温度达到预设温度时，温控开关断开，停止加热，当温度降低时，开关再次闭合。2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。()(2)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。()3：填空如图所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直
5、于磁场，板内通有如图方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点的电势ab，若电流增大时，则有|ab|增大。 考点1传感器的原理和分类有自动控制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息。如图所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制示意图。试结合图中信息思考，在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？提示：需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器。1传感器的核心元件(1)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。(2)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
6、量输出。(3)转换电路：是将转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。2传感器的工作原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示：非电学量敏感元件转换器件转换电路电学量3分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等生物传感器利用生物化学反应识别和检测
7、信号酶传感器、组织传感器、细胞传感器等【典例1】如图所示为普通冰箱内温度控制器的结构。铜质的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，上述材料就构成了一个温度传感器。膜盒3为扁圆形(图中显示为它的切面)，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接。盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀。测温泡1安装在冰箱的冷藏室中，5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作。弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上，连杆9的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的。逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。(1)为什么当冰箱内温度
8、较高时压缩机能够开始工作，而当达到设定的低温后又自动停止工作？(2)为什么凸轮可以改变设定的温度？解析(1)冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而当达到设定的低温时弹簧7带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作。(2)凸轮逆时针旋转会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与膜盒3共同控制弹簧片4的运动，故凸轮可以改变设定的温度。答案见解析分析传感器问题要注意的四点(1)感受量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。(2)敏感元件分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以
9、及输入信号与输出信号间的变化规律。(3)电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。(4)执行机构工作分析：传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。跟进训练1全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解
10、油量情况，你认为电压表应该接在图中的_两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将_(选填“增大”或“减小”)。解析由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当RR时，URIR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大。答案b、c增大 考点2光敏电阻和热敏电阻的特性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？提示：当光被物体挡住时，R1的电阻增大，电路中的电流减小，R2两端的电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个物体就获得
11、一次低电压，计数一次。1光敏电阻的特性当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强，电阻减小。2热敏电阻的两种类型热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变化，常见的有两种类型，图中甲为PTC型，乙为NTC型。PTC型为正温度系数热敏电阻，NTC型为负温度系数热敏电阻。【典例2】如图所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是()A电压表的示数增大BR2中电流减小C电阻丝的功率增大D电路的路端电压增大D当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两端电压因干
12、路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故本题选项为D。含传感器电路的分析方法(1)判断电路的整体连接特点。(2)由敏感元件电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化。跟进训练2(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。如图所示
13、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()A电容器C带的电荷量增大B电压表的读数增大C电容器C两板间的电场强度减小DR1消耗的功率增大AB当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由闭合电路欧姆定律知I变小，又UEIr，电压表的读数U增大，选项B正确；又由U1IR1及P1I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，选项D错误；电容器两板间的电压U2UU1，U2变大，由电场强度E，QCU2可知Q、E都增大，选项A正确，C错误。 考点3霍尔效应的应用如图所示的霍尔元件能把磁学量转换成电学量，电压UH与磁感应强度B满足什么关系？提示：设图
14、中MN方向长度为l2，则qqvB，根据电流的微观解释，InqSv，整理后，得UH，令k，则UHk，故UH与B成正比。1霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍尔效应可以确定一种半导体材料是电子型还是空穴型。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。2利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁感应强度，测量直流和交流电路中的电流和功率，转换信号，如把直流转换成交流并对它进行调制，放大直流或交流信号等。【典例3】(多选)如图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
15、正确的是()AM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D若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比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。 跟进训练3(多选)如图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()A将永磁
16、体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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ABD一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UHk，知UH将变大，A正确；地球两极处磁场可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；若磁场与工作面夹角为，则应有qvBsin q，可见变化时，UH将变化，D正确。1传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是()A将力学量(如形变量)转换成磁学
17、量B将电学量转换成热学量C将光学量转换成电学量D将电学量转换成力学量C传感器是指能够感受诸如力、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控制电路的通断的一类元件，故只有C项正确。 2有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是()A金属导体B光敏电阻CNTC热敏电阻 DPTC热敏电阻C金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C正确，A、B、D错误。3如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、
18、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则()A当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高B当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低C当仅增大R2的阻值时，可减小A、B之间的电压D当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压BR1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压UIR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：UEI(R1r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项错误；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。4(新情境题，以“手机操作”为背景，考查传感器)某企业发布的旗舰手机添加了一项黑科技功能叫隔空手势，双手不去接触手机，也能通过隔空用手势对手机进行操控！问题：(1)对手机进行隔空操控需要用到什么仪器？它的作用是什么？(2)这种仪器的主要部件有哪些？解析(1)用到传感器，它可以将非电学量信号转化为电信号传递到手机CPU进行处理。(2)传感器的主要部件有敏感元件和转换元件。答案见解析回归本节知识，自我完成以下问题：1传感器的功能是什么？提示：将非电学量转化为电学量。2写出传感器的组成部分？提示：敏感元件和转换元件。3敏感元件主要有哪些元件？提示：光敏元件、热敏元件、磁敏元件等。