人教版高中物理选修3知识点及重点题型梳理传感器(原理及典型应用)

认真整理认真整理资料来源于网络仅供免费沟通使用资料来源于网络仅供免费沟通使用3-2学问点梳理常考学问点重点题型〔 〕稳固练习常考学问点传感器〔原理及典型应用〕【学习目标】知道什么是传感器，常见的传感器有哪些。了解一些传感器的工作原理和实际应用。了解传感器的应用模式，能够运用这一模式去理解传感器的实际运用。了解传感器在生活、科技中的运用和发挥的巨大作用。【要点梳理】要点一、传感器现代技术中，传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很便利地进展测量、传输、处理和掌握了。传感器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，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是格外微弱的，通常要经过放大后，再送给掌握系统产生各种掌握动作。传感器原理如以下图所示。传感器的分类感器分为物理型、化学型和生物型三类。物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质〔如电阻、电压、电容、磁场等〕发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。化学型传感器是利用能把化学物质的成分成的。生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。要点二、光敏电阻光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量阻值减小。要点诠释：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子〔导电电荷〕极少，导电性能不好，随着光照的增加，载流子增多，导电性能变好。要点三、热敏电阻和金属热电阻热敏电阻温度特性曲线。要点诠释：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。热敏电阻器的应用格外广泛，主要应用于：①利用电阻—温度特性来测量温度、掌握温度和元件、器件、电路的温度补偿。②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用。③利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等。④利用热惯性作为时间延时器。金属热电阻热电阻。要点诠释：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高。要点四、电容式传感器霍尔元件电容式传感器电容器的电容C打算于极板正对面积Sd以及极板间的电介质这几个因素，假设某一物理量〔如角度、位移x、深度h等〕的变化能引起上述某个因素的变化，从而的电容器称为电容式传感器。如图甲所示是用来测定角度的电容式传感器。当动片和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，就可以知道的变化状况。如图乙所示是测定液面高度hhC发生变化。知道C的变化，就可以知道h的变化状况。如图丙所示是测定压力，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，d发生变化，引起电容C的变化。知道C的变化，就可以知F的变化状况。如图丁所示是测定位移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Cx的变化状况。霍尔元件〔1．如下图，在一个很小的矩形导体〔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。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。2U有关。

kIB，其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料d〔3．霍尔元件的工作原理霍尔元件是利用霍尔效应来设计的。一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如下图，沿PQB，则在MN间会消灭电势差U，设薄片厚度为dPQ方向长度为l1

，MN方向长度为l2

，薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部消灭电场。带电粒子同时受到磁场力和电场力作用，当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差到达恒定，此时有qUqvB。l2依据电流的微观解释InqSv，整理后得U IB。nqdk

1，由于nq为单个带电粒子的电荷量，nq它们均为常数，所以UkIB。dUB成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的缘由。要点五、力传感器应变式力传感器组成：由金属梁和应变片组成。工作原理：如下图，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下外表各贴一个应变片，左梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上外表拉伸，下外表压缩，上外表应变片的电阻变大，下外表电阻变小。F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大。假设变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出的电压差值也就越大。测定压力的电容式传感器如下图，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，假设将电容器与灵敏电流表、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流表有示数。要点六、声传感器的应用——话筒话筒的作用把声音信号转换为电信号。电容式话筒Q是绝缘支架，薄金属膜MN形成一个电容器，R两端就输出了与声音变化规律一样的电压。优点：保真度好。驻极体话筒极化现象：将电介质放人电场中，在前后两个外表上会分别消灭正电荷与负电荷的现象。驻极体：某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍旧会长期保持被极化的状态，这种材料称为驻极体。原理：同电容式话筒，只是内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。特点：体积小，重量轻，价格廉价，灵敏度高，工作电压低。要点七、温度传感器的应用——电熨斗温度传感器：由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进展自动掌握。电熨斗的构造如下图。电熨斗的自动控温原理内部装有双金属片温度传感器，如下图，其作用是掌握电路的通断。常温下，上、下触头应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触点分别，从而切断电源，停顿加热。温度降低后，双金属片恢复原状，重接通电路加热，这样循环进展，起到自动掌握温度的作用。的。传感器应用的一般模式动圈式话筒的工作原理片振动时，连接在膜片上的线圈〔叫做音圈〕随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流〔电信号。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波打算，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。【典型例题】类型一、热敏电阻的特性1R1

R2

L为小灯泡，当温度降低时〔 〕A．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【思路点拨】运用热敏电阻特性解决问题。【答案】C【解析】此题考察了负温度系数热敏电阻的特性以及电路的动态分析。R2

L并联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，电流表读数变小，灯LR1

C正确，其余各项均错。减小，正温度系数的热敏电阻〔PTC〕的阻值随温度的上升而增大。举一反三:【传感器〔原理及典型应用〕例2】【变式】如图是一火警报警的一局部电路示意图。其中R2

为用半导体热敏材料制成的a、b之间接报警器。当传感器R2

所在处消灭火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化状况是〔 〕A.I变大，U变大B.I变小，U变小C.I变小，U变大D.I变大，U变小【答案】B【解析】消灭火情时温度上升，R2

R总减小，I总增大，Uab

减小，U 减并小，I 减小，正确答案为B。A类型二、光敏电阻的特性例2RR1 2的光强度增大时〔 〕

LR3

R上3A．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【答案】ABC【解析】此题综合考察光敏电阻的特性以及电路的动态分析。当光强度增大时，R阻3值减小，外电路电阻随见的减小而减小，R1

两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压A项正确，DRR1

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。【总结升华】牢记光敏电阻的阻值随光强度的增加而减小。例3〔2022 南昌期中〕利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送状况如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系如图乙所示假设传送带始终匀速运动每两个工件间的距离为0.2m，则以下说法正确的选项是( )A．传送带运动的速度是0.1m/sB．传送带运动的速度是0.2m/sC3600个工件D7200个工件【答案】BC1时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是v=0.2m/s=0.2m/s，1n s故A错误B＝v0.23600=L=3600个，C正确D错误。举一反三:【传感器〔原理及典型应用〕例1】【变式〔1〕如图是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中A是 ，B中的主要元件是 。(2)自动计数原理是： 。【答案】(1)发光仪器；光敏电阻(2)见解析【解析】(1)发光仪器；光敏电阻(2)AB的光信号时，光敏电阻的阻值变小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由AB的光信号时，光敏电阻的阻值变自动将其转化为相应的数字，实现自动计数功能．类型三、霍尔元件的特性例4．如下图，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上、下外表的电势的关系为〔 〕A．U ＞U B．U ＝U C．U ＜U D．无法推断M N M N M N【答案】A中受到洛伦兹力作用，做定向移动形成的，依据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以U ＞U 。M N【总结升华】金属导体中能自由移动的是电子，电子向NM板剩下正电荷。5．如下图，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应B的匀强磁场垂直于纸面对里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下外表哪面电势高？电势差是多少？【思路点拨】当电流在导体中流淌时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下外表聚拢，在导体中形成电场，其中上外表带负电，电势低。随着正、负电荷不断向下、上转，上、下外表间形成稳定电压。IB【答案】下外表电势高电势差为ned【解析】此题是考察霍尔效应现象的计算题。当电流在导体中流淌时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上导体中形成电场，其中上外表带负电，电势低。随着正、负电荷不断向下、上外表积存，电场增加，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qEqvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下外表间形成稳定电压。带多余等量的正电荷，故下外表电势高，设其稳定电压为U。当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qUqvB。bIneSvnevbd，故U

IB。ned〔1〕推断电势凹凸时留意载流子是正电荷还是负电荷。〔2〕由以上计算得上、下两外表间的电压稳定时，U

IB，其中n为单位体积内的nedIB1IB自由电荷数，e为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，假设令k ，则Uk ，此ne d即课本所给出的公式。类型四、电容式传感器6．如下图：图甲是 的电容式传感器，原理是 。图乙是 的电容式传感器，原理是 。图丙是 的电容式传感器，原理是 。图丁是 的电容式传感器，原理是 。【答案】见解析【解析】此题考察了几种常见电容式传感器的工作原理。图甲是角度的电容式传感器，其原理是当动金属片旋进的角度不同时，电容器的正对面积不同，电容器的电容不同。图乙是液体的电容式传感器，其原理是导电液体相当于电容器的一个极板，当液体深度发生转变时，相当于两极板的正对面积发生转变，电容器的电容也随之转变。图丙是压力的电容式传感器，其原理是当作用在一个电极的压力转变时，金属片的外形也发生转变，两极板的距离发生转变，电容器的电容也发生转变。图丁是位移的电容武传感器，其原理是和物体固定在一起的电介质板，当物体发生一小段位移时，插入两极板间的电介质发生变化，导致电容器的电容发生变化。【总结升华】电容式传感器体积小、反响灵敏，是一种多功能传感器，可用来做压力、转角、位移、压强、声音等传感器。举一反三:【传感器〔原理及典型应用〕例3】【变式】图甲是测量 的电容式传感器，原理是 图乙是测量 的电容式传感器，原理是 【答案】图甲:角度；动片与定片间的角度发生变化时，引起正对面积S的变化，通过测出电容C的变化，测量动片与定片间的夹角。图乙:液面高度h；hC的变化，可以测量液面高度h的变化。类型五、力传感器的应用例7．用如下图的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度，该装簧夹着一个质量为2.0kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别接在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出，现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后。汽车静止时，传感器a、b的示数均为10N〔g取10m/s〕假设传感器a的示数为14N，b的示数为6.0N当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？【思路点拨】两轻弹簧一样，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少。传感器上所显示出簧对滑块的弹力大小。〔1〕4.0m/s2，方向向前〔2〕10m/s2，方向向后〔1〕如下图，依题意，左侧弹簧对滑块向右的推力F1

14N，右侧弹簧对滑块向F2

6.0N。a

F－F

ma FF

1146.0

1 2 1a 11

22.0

m/s24.0m/s2。aF1

同方向，即向前〔向右。〔2〕a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力0，因两弹簧一样，左弹簧伸长1多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F20N，滑块所受合力产生加速度，2由牛顿其次定律得F Fma。合 2 2解得F”a 210m/s2。2 m负号表示方向向后〔向左。【总结升华】两轻弹簧一样，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，弹簧上弹力变化大小相等。举一反三:【传感器〔原理及典型应用〕例5】速度计的构造和原理的示意图如图示，沿长度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。掌握系统进展制导。设某段时间内沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为S，则这段时间内的加速度 〔 〕方向向左，大小为kS/m方向向右，大小为kS/m方向向左，大小为2kS/m方向向右，大小为2kS/m假设电位器〔可变电阻〕总长度为L，其电阻均匀，两端接在稳压电源U 上，当0a沿水平方向运动时，与滑块连接的滑动片P产生位移，此时可输出一个电信号UU与a的函数关系式。mU【答案〔1〕D 〔2〕 0a2kL〔1〕略〔2〕a=2kS/mSma/2k，所以UUR0 X

/RU

S/L0maU /2kL0mU= 0aa．2kL类型六、声传感器的应用例图乙所示是磁带录音机的录音、放音原理图，由图可知：①话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流③录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场④录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场其中正确的选项是〔 〕A．②③④ B．①②③ C．①②④ D．①③④【答案】C【解析】此题考察了动圈式话筒和磁带录音机录放音的工作原理。话筒的工作原理是变化的磁场使放音头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，②正确。【总结升华】清楚声传感器的原理是解题关键。举一反三:【传感器〔原理及典型应用〕例4】【变式】唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。其中有一种是动圈式的它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈线圈处于永磁体的磁场中当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。以下说法正确的选项是 ( ).该传感器是依据电流的磁效应工作的.该传感器是依据电磁感应原理工作的C.膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变D.膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势【答案】B类型七、温度传感器的应用例9．在家用电热灭蚊器中，电热局部主要元件是PTCPTC元件是由钛酸钡等随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PT