江苏版2023版高三一轮总复习物理第11章第3节传感器的工作原理及应用

传感器的工作原理及应用一、热敏电阻与金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。甲乙2．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，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。3．注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。二、霍尔元件1．构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件。2．工作原理：在E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B，则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，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH。3．霍尔电压：UH＝keq\f(IB,d)。(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d、k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。4．作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。三、传感器的应用实例1．力传感器的应用——电子秤(1)组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片。(2)工作原理：eq\x(\a\al(金属梁,自由端,受力F))⇒eq\x(\a\al(金属梁发,生弯曲))⇒eq\x(\a\al(应变片的,电阻变化))⇒eq\x(\a\al(两应变片上电压,的差值变化))(3)作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。2．温度传感器的应用实例敏感元件工作原理电熨斗双金属片温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断电饭锅感温铁氧体(1)居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103℃时，失去铁磁性，这一温度称为“居里温度(2)自动断电原理：用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103℃时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，3．光传感器的应用——火灾报警器(1)组成：如图所示，发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。(2)工作原理：平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(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)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。 (×)(4)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。 (×)(5)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。 (×)(6)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比。 (√)二、教材习题衍生1．(传感器的原理和分类)宇宙飞船使用各类传感器，智能化地感知各种信息。其中感知宇航员体温变化的传感器是()A．气体传感器 B．声音传感器C．温度传感器 D．压力传感器C[根据题意，要感知宇航员体温变化，则需要将温度的变化转化为电学的物理量，所以使用的传感器为温度传感器，故C项正确。]2．(传感器的应用)下列关于传感器的说法不正确的是()A．热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏B．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断D．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A[热敏电阻是由半导体材料制成的，对温度感知灵敏，选项A错误；电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号，选项B正确；电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断，选项C正确；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，选项D正确。]3．(电容式传感器)传感器在生活中有很多应用。电容式加速度传感器在安全气囊、手机等设备中应用广泛，其原理如图所示，质量块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，质量块可带动电介质相对于外框无摩擦地左右移动，但不能上下移动。下列关于该传感器的说法正确的是()A．当电路中没有电流时，电容器所带电荷量一定都相等B．当电路中没有电流时，传感器一定处于平衡状态C．当电路中有顺时针方向的电流时，电容器电容一定减小D．当电路中有顺时针方向的电流时，传感器可能向左也可能向右运动D[当电路中没有电流时，说明电容器处于稳定状态，因电容器的电压不变，根据平行板电容器的电容公式C＝eq\f(εrS,4πkd)，当电介质插入极板间深度不同时，即相对介电常数εr大小不同，则电容器电容也不同，因此电容器所带电荷量也不相等，故A错误；当传感器以恒定加速度运动时，根据牛顿第二定律可知，弹簧弹力大小不变，则电容器的电容不变，因两极板的电压不变，则电容器的电荷量不变，因此电路中没有电流，故B错误；当电路中有顺时针方向的电流时，说明电容器处于充电状态，根据Q＝CU，可知电容器的电容在增大，故C错误；当电路中有顺时针方向电流时，由C项的分析可知，电容器的电容在增大，插入极板间电介质加深，但传感器可能向左减速运动，也可能向右加速运动，故D正确。]传感器的原理和分类1．(传感器的原理)电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件(如图所示)，它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。关于干簧管，下列说法正确的是()A．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．两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引D．干簧管接入电路中相当于电容的作用C[当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化相互吸引而接通，故选项B错误，选项C正确；当磁体远离干簧管时，软磁性材料制成的簧片失去磁性，所以两簧片又分开，因此干簧管在电路中相当于开关的作用，选项A、D错误。]2．(传感器的原理和分类)如图所示，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，下列说法不正确的是()A．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D[当照射光强度增大时，光敏电阻R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，由闭合电路欧姆定律可得，电路中电流增大，故R1两端电压增大，A正确；因电路中电流增大，故内压增大，路端电压减小，同时R1两端电压增大，故并联电路部分电压减小，则流过R2的电流减小，故B正确，D错误；由干路电流增大可知，流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C正确。]3．(传感器的原理和分类)温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R­t图线所示，闭合开关，当R的温度等于120℃时，电流表示数I1＝3mA，甲乙(1)电流表G的内阻Rg；(2)当电流表的示数I2＝1.8mA时，热敏电阻R的温度。[解析](1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120℃时，电阻为2kΩ，闭合电路的电流为I1根据闭合电路欧姆定律得Rg＝eq\f(E,I1)－R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,3×10－3)－2×103))Ω＝1000Ω。(2)当电流表的示数I2＝1.8mA时R′＝eq\f(E,I2)－Rg＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,1.8×10－3)－1×103))Ω＝4000Ω由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4000Ω时的温度为20℃[答案](1)1000Ω(2)20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。电阻项目热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度的升高而减小电阻率随温度的升高而增大R­t图像制作材料半导体金属导电原理自由电子和空穴等载流子自由电子的定向移动优点灵敏度较好化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量霍尔效应和电容式传感器霍尔效应1．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。下列说法不正确的是()A．M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A[当正电荷定向移动形成电流时，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UH＝keq\f(IB,d)，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。]2．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。以下说法中不正确的是()A．将永磁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C[一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝keq\f(IB,d)，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θ，则应有qvBsinθ＝qeq\f(UH,d)，可见θ变化时，UH将变化，D正确。]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负电荷。电容式传感器1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。2．常见电容式传感器名称传感器原理测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ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θ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，导致灵敏电流计指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电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)()A．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＝eq\f(εrS,4πkd)和C＝eq\f(Q,U)，按以下思路进行分析。eq\x(\a\al(压力F,作用下))→eq\x(\a\al(d变化))→eq\x(\a\al(C变化))→eq\x(\a\al(Q变化))→eq\x(\a\al(回路中产,生电流))A[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，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。][跟进训练]1．(测定液面高度)传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是()①C增大表示h增大②C增大表示h减小③C减小表示h减小④C减小表示h增大A．只有①正确 B．只有①、③正确C．只有②正确 D．只有②、④正确B[液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。]2．(测定压力传感器)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。如图所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号。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()A．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D[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＝eq\f(U,d)知电场强度变化，A错误；由C＝eq\f(εrS,4πkd)知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确；由Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中形成充、放电电流，电路中电流方向改变，B、C错误。]传感器的应用[题组训练]1．(光传感器)下列关于光传感火灾报警器的说法中正确的是()A．发光二极管是由半导体材料制成的，光电三极管是由导体材料制成的B．光电三极管与光敏电阻一样都是光敏感元件，都是将光信号转换为电信号C．发光二极管发出的是脉冲微光D．如果把挡板撤去，火灾报警器照样工作B[发光二极管工作时是持续发光的，挡板撤去，光始终照到光电三极管上，始终发出