2024-2025学年高中物理第六章传感器1传感器及其工作原理学案新人教版选修3-2

PAGE12-1传感器及其工作原理1．传感器(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们依据肯定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的元件．(2)传感器的原理：eq\x(非电学量)→eq\x(\a\al(传感器,敏感元件、转换器件、转换电路))→eq\x(电学量)现今，无人机已进入好用阶段，你猜想无人机上应当有哪些传感器？提示：无人机上应当有能感知速度、加速度、角速度、距离、力、光照等物理量的传感器．2．干簧管结构：如图，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．作用：在电路中起到开关的作用，它是一种能够感知磁场的传感器．3．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻越小．(2)缘由：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增加，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．4．热敏电阻和金属热电阻日常生活中哪些用电器是利用热敏电阻、光敏电阻实现自动限制的？提示：利用热敏电阻的有：冰箱启动器、电饭锅等；利用光敏电阻的有：照相机、光控开关、报警器、验钞机等．5．霍尔元件(1)构造：很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N.(2)霍尔电压：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝keq\f(IB,d).(3)作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．考点一传感器的工作原理1．传感器传感器能够感受诸如位移、力、温度、光、声、化学成分等非电信息，并能把它们依据肯定的规律转换为电压、电流、电阻等电信息，或转化为电路的通断．传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕获和识别信息，并将被测量的非电信息转换成电信息的装置．2．传感器的基本原理传感器感受的通常是非电信息，而它输出的通常是电信息，不过这些输出信号往往是特别微弱的，一般须要经过放大后，再输送给限制系统产生各种限制动作．其工作过程可由下图表示．(1)非电信息：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等．(2)敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能干脆感受被测量的非电信息并将其转换成与被测量的非电信息有肯定关系的易于测量的物理量．(3)转换元件：通常不能干脆感受被测量的非电信息，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．(4)转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电信息．(5)电信息：如电压、电流、电阻等．【例1】全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车平安行驶和驾驶员平安的举措之一，为了仿照汽车油表原理，自制一种测定油箱油量多少或改变多少的装置．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．小阳同学在装置中运用了一只电压表(图中没有画出)，通过视察电压表示数，可以了解油量状况，你认为电压表应当接在图中的________(选填“a、b”“b、c”或“c、d”)两点之间，依据你的接法请回答：当油箱中油量削减时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．解答本题时，可按以下思路分析：eq\x(\a\al(变阻器的,连接方式))→eq\x(\a\al(电阻,改变))→eq\x(\a\al(电流,改变))→eq\x(\a\al(电压,改变))[答案]b、c增大[解析]由题图可知当油箱内液面高度改变时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的改变，所以电压表接在b、c之间，当油量削减时，电压表示数将增大．总结提能(1)各类传感器工作原理虽不完全相同，但都是把非电学量转换为电学量．(2)传感器输出的电学量有电流、电压及电路通断等多种形式．(3)解此类问题的基本思路：分析电路结构→探讨电阻的改变→推断(计算)电流、电压的改变．为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与限制电灯的电路相接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为声电传感器，它输入的是声信号，经传感器转换后，输出的是电信号．解析：楼道内的电灯是声控的，通过声音限制把声信号转化为电信号．考点二光敏电阻热敏电阻和金属电阻1．光敏电阻(1)作用光敏电阻在被光照耀时电阻会发生改变，这样光敏电阻可以把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量．(2)改变特点光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照耀时，电阻发生改变．缘由是无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增加，载流子增多，导电性增加．2．热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻①热敏电阻一般是用半导体材料制成的，其电阻值随温度的改变特别明显．如图所示为某一热敏电阻的电阻－温度特性图线．②热敏电阻的两种型号及其特点热敏电阻是电阻值随温度改变而改变的敏感元件．在其工作温度范围内，电阻值随温度上升而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．常用的是负温度系数热敏电阻．(2)金属热电阻有些金属的电阻率随温度的上升而增大，这样的金属也可以制成温度传感器，称为热电阻．留意：与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差．1.光电传感器,光电传感器是一种能感受光信号，并依据肯定规律把光信号转换成电信号的器件或装置.,常见的光电传感器除了光敏电阻外，还有光敏晶体管、光电二极管、光电三极管等，它们都是利用某些物质在光照耀下电学特性随之改变的性质制成的.,2.温度传感器,温度传感器是一种能将温度改变转换成电学量改变的装置.它通过测量传感器元件的电学量随温度的改变来实现温度的测量.,常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等.【例2】如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED的距离不变，下列说法正确的是()A．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率增大B．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率减小C．当滑片P向右移动时，灯泡消耗的功率可能不变D．无论怎样移动滑片P，灯泡消耗的功率都不变解答本题的基本思路如下：[答案]A[解析]当滑片P向左移动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过发光二极管的电流增大，发光二极管发出的光增加，光敏电阻的阻值减小，流过灯泡的电流增大，灯泡消耗的功率增大，选项A正确，B错误；当滑片P向右移动时，发光二极管所在支路的电阻增大，电流减小，发光二极管发出的光减弱，光敏电阻的阻值增大，流过灯泡的电流减小，灯泡消耗的功率减小，选项C、D错误．总结提能对于光敏电阻、热敏电阻与电路相结合的试题，首先要驾驭阻值随光照或温度改变的状况，其次要会应用闭合电路或部分电路欧姆定律分析电路中的电流、电压、功率的改变状况．如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往RT上擦一些酒精，表针将向左(填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向右(填“左”或“右”)移动．解析：若往RT上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻RT温度上升，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．考点三霍尔元件1．霍尔元件如图所示，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，它就成了一个霍尔元件．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．霍尔电压如上图所示，在E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子同时受到电场力和磁场力的作用．当电场力与磁场力平衡时，M、N间电势差达到恒定．设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，则qeq\f(UH,l2)＝qvB.又因为电流的微观表达式为I＝nqSv，所以UH＝eq\f(IB,nqd).因为同一材料单位体积内载流子的个数n、单个载流子的电荷量q均为定值，令k＝eq\f(1,nq)，所以UH＝keq\f(IB,d)(霍尔电压)留意：载流子依据霍尔材料的不同而不同，其中金属导体的载流子为电子，而半导体的载流子因材料不同而不同．1.霍尔电压UH＝keq\f(IB,d)中，k为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关.,2.推断电势的凹凸时要留意载流子是正电荷还是负电荷.【例3】[多选]霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成为品种多样的磁传感器品族，得到广泛的应用．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成正比解答本题的关键是弄清以下两点：(1)要推断M点电势与N点电势的凹凸，须要用左手定则推断正电荷在洛伦兹力作用下运动的方向；(2)驾驭霍尔电压的公式UH＝keq\f(IB,d)并理解各个物理量的含义．[答案]BCD[解析]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；依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．总结提能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时，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方向都垂直的方向漂移，在两极上形成电压(霍尔电压)．电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度限制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触限制．转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲．开启电源时，在霍尔器件的上、下面之间加肯定的电压，形成电流，如图乙．随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出限制车速的电压，已知电压与车速关系如图丙．以下关于“霍尔转把”叙述正确的是(B)A．为提高限制的灵敏度，永久磁铁的上、下端分别为N、S极B．按图甲顺时针转动电动车的右把手，车速将变快C．图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出限制车速的霍尔电压D．若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速限制解析：由于在霍尔器件的上、下面之间加肯定的电压，形成电流，当永久磁铁的上、下端分别为N、S极时，磁场方向与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，则霍尔器件不能输出限制车速的霍尔电压，故A错误；当按图甲顺时针转动电动车的右把手，霍尔器件四周的磁场增加，则霍尔器件输出限制车速的霍尔电压增大，因此车速将变快，故B正确；依据题意，结合图乙的示意图，则永久磁铁的N、S极可能在左、右侧面，或在前、后表面，因此从霍尔器件输出限制车速的霍尔电压，不肯定在霍尔器件的左、右侧面，也可能在前、后面，故C错误；当霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出限制车速的霍尔电压正负号相反，由图丙可知，不会影响车速限制，故D错误.1．关于传感器的下列说法正确的是(B)A．全部传感器的材料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改变来传递信号的D．以上说法都不正确解析：半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以A错，B正确，传感器不但能感知电压的改变，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以C错．2．[多选]下列说法正确的是(ABD)A．传感器担负着信息采集的任务B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具解析：传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对．3．人类放射的绕地球运转的全部航天器，在轨道上工作时都须要电能，所须要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳方位(B)A．力传感器 B．光传感器C．温度传感器 D．生物传感器解析：太阳帆的有效采光面积不同，所产生的电流不同，当电流最大时正对太阳，所以应用的是光传感器，选项B正确，选项A、C、D错误．4．[多选]如图甲所示，打开电流传感器和电压传感器，将磁铁置于螺线管正上方距海绵垫高为h处由静止释放，磁铁穿过螺线管后掉落到海绵垫上并静止．若磁铁下落过程中受到的磁阻力远小于磁铁重力，且不发生转动，不计线圈电阻．图乙是计算机荧屏上显示的UI－t曲线，其中的两个峰值是磁铁刚进入螺线管内部和刚从内部出来时产生的．下列说法正确的是(BD)A．若仅增大h，两个峰值间的时间间隔会增大B．若仅减小h，两个峰值都会减小C．若仅减小h，两个峰值可能会相等D．若仅减小滑动变阻器接入电路中的电阻值，两个峰值都会增大解析：若仅增大h，磁铁经过螺线管的时间减小，两个峰值间的时间间隔会减小，故A错误；仅减小h时，磁铁进入螺线管的速度减小，导致螺线管中磁通量的改变率减小，因此两个峰值都会减小，且两个峰值不行能相等，故B正确，C错误；依据闭合电路欧姆定