1、1 传感器及其工作原理学习目标素养提炼1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术的意义2.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件的工作原理3.了解传感器的常用元件的特征.物理观念：传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件科学思维：(1)体会传感器将非电学量转化为电学量的意义(2)通过对光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的认识能分析它们的工作原理和在传感器中的应用科学探究：探究传感器的工作原理.01 课前 自主梳理02 课堂 合作探究03随堂 演练达标04课后 达标检测一、传感器1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
2、量(通常是电压、电流等)，或转换为电路的的元件2非电学量转换为电学量的意义：把转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和电学量通断非电学量控制思考火灾探测器的核心元件为光敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号此时传感器是将什么量进行转化的？提示：传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量，使电路接通，从而对外发出声光报警信号二、光敏电阻1特点：光照越强，电阻2原理：无光照时，极少，导电性能；随着的增强，载流子，导电性变好3作用：把这个光学量转换为这个电学量越小载流子不好光照增多光照强弱电阻思考声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大
3、的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？提示：声控灯全名应该为声光控灯，声控灯中有光控电路，使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电三、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的升高而电阻率随温度的升高而制作材料半导体金属优点灵敏度好化学，测温范围大作用将这个热学量转换为这个电学量减小增大稳定性好温度电阻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下降？提示：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
4、热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小四、霍尔元件1.构造：很小的矩形薄片上，制作四个电极 E、F、M、N.2霍尔电压：如图，E、F 间通入恒定电流 I，同时外加与薄片垂直的，则 M、N 间出现霍尔电压 UH，UHkIBd.3作用：把这个磁学量转换为这个电学量半导体磁场B磁感应强度电压判断辨析(1)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出()(2)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关()(3)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()要点一 对传感器的认识探究导入 干簧管结构如图甲所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当磁铁靠近干簧
5、管时：会发生什么现象，为什么？干簧管的作用是什么？提示：灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通；干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器1传感器的工作流程和传感器的组成(1)传感器的工作流程非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量(2)传感器的组成敏感元件：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：是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等2传感器的原理传感器感受
6、的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作3分类(1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器(2)按传感器工作原理分为：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、热电偶等传感器(3)按传感器输出信号性质分：输出为开关量(“1”和“0”或“开”和“关”)的开关型传感器；输出为模拟信号的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器特别提醒在分析传感器的作用时要明确：(1)核心元件是什么(2)它是怎样将非电学量转化为电学量的(3)它是怎
7、样显示或控制开关的典例1 如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置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”)思路点拨 解析 定值电阻 R和滑动变阻器是串联的，当油箱中的油量减少时，浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，滑动变阻器连入电路的电阻增大，分担的电压增大，定值电阻分担的电压减小，所以电压表应接在 c、d 之间与定值电阻并联；油量减少，电压表示数减小答案 c、d 减小
8、总结提升电学量具有便于控制、放大、衰减、波形整理、显示、可储存、远距离传输等技术方面的优点，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，所以现代信息技术与自动控制中常将非电学量转化成电学量进行信息收集1(多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以()A将力学量(如形变量)转变成电学量B将热学量转变成电学量C将光学量转变成电学量D将电学量转变成力学量解析：传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项 A、B、C 对，选项 D 错答案：ABC2.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)
9、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(实质是理想的电流表)组成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，g 取 10 m/s2.请回答：压力 F/N02505007501 0001 2501 500电阻 R/300270240210180150120(1)该秤零起点(即
10、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.解析：(1)由题图表知，踏板空载时，压力传感器电阻 R300，此时 A 中电流 IUR4.8300 A1.6102 A.(2)当电流 I20 mA20103 A 时，压力传感器的电阻 RUI 4.820103 240，对应表格中，这个人的体重为 50 kg.答案：(1)1.6102(2)50要点二 对敏感元件的认识探究导入 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，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
11、值电阻此光电计数器的基本工作原理是什么？提示：当光被产品挡住时，R1 电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次1光敏电阻的导电特性光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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，于是导电性能明显增强2热敏电阻和金属热电阻的特点(1)热敏电阻：用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻如图所示为某热敏电阻的电阻温度特性曲线(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图所示，这样的电阻也可以制作温度传感器热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学
12、量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好特别提醒按热敏电阻随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小典例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 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DR1 消耗的功率增大思路点拨 解答本题时可按以下思路分析：解
13、析 当环境温度降低时，R2 变大，电路的总电阻变大，由 I ER总知 I 变小，又 UEIr，电压表的读数 U 增大，故 B 正确；又由 U1IR1 及 P1I2R1可知 U1 变小，R1 消耗的功率 P1 变小，故 D 错误；电容器两板间的电压 U2UU1，U2变大，由场强 EU2d，QCU2 可知 Q、E都增大，故 A 正确，C 错误答案 AB总结提升传感器问题中的电路动态分析的四点注意(1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化(2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化(3)如果是其他元件引起的电路
14、变化可具体问题具体分析(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化3.如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为，则可判断()A BCD不能确定解析：光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，指针左偏，故指针自左向右的偏转角度变小，故选 B.答案：B4如图所示，R1 为定值电阻，R2 为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L 为小灯泡，当温度降低时
15、()AR1 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 与灯泡 L 并联后再与 R1 串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻 R2 电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡 L 两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1 两端的电压减小，故只有 C 正确答案：C霍尔传感器的应用霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓，电脑中的散热风扇等(1)霍耳元件的工作原理：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
16、 间出现电压(如图所示)(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡(3)霍尔电压：UHkIBd(d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数)其中 UH 与 B 成正比，所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量5(多选)如图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，对于一个霍尔元件 d、k 为定值，如果保持 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(工作面是指较大的平面)()A将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，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
17、应保持水平D改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH 将发生变化解析：将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B 增大，I 恒定，由公式UHkIBd 知 UH 将变大，选项 A 正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使 B 与工作面垂直，选项 B 正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时，B 才与工作面垂直，选项 C 错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B 垂直工作面的大小发生变化，UH 将发生变化，选项 D 正确答案：ABD1通常当人走向银行门口时，门就会自动打开，是因为门上安装了下列哪种传感器()A温度传感器 B压力
18、传感器C红外线传感器D声音传感器解析：人走向门口时，门会自动打开，是因为安装了红外线传感器，从而能感知红外线，导致门被打开答案：C2如图甲所示，光敏电阻 R2 上加上如图乙所示的光照，那么 R2 两端的电压变化是下列图中的()解析：光敏电阻阻值随光照的增强而减小，根据题图乙知 R2 两端的电压随之同频率先减小后增大，但不会是零，所以选 B.答案：B3.(多选)如图所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明()A在温度越高时，热敏电阻阻值越小B在温度越高时，热敏电阻阻值越大C半导体材料温度升高时，导电性能变差D半导体材料温度升高时，导电性能变好解析：由电流表的
19、变化判断半导体的电阻的变化，温度升高时，由闭合电路欧姆定律可知电路中总电流增大，则总电阻减小，则热敏电阻阻值减小，故 A、D 正确答案：AD4.(多选)霍尔元件的示意图如图所示，一块通电的铜板放在磁场中，铜板的前、后板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a、b 是铜板上、下边缘的两点，则()A电势 abB电势 baC电流增大时，|ab|增大D其他条件不变，将铜板改为 NaCl 溶液时，电势结果仍然一样解析：铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向 b 侧偏转，所以 ab，故 A 对，B 错；因|ab|kIBd，所以电流增大时，|ab|增大，故 C 对；若将铜板改为 NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向 b 侧偏转，|ab|0，即不产生霍尔效应，故D 错答案：AC04课后 达标检测
