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2017--2018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

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                          1 传感器及其工作原理

[目标定位] 1.知道什么是传感器,理解传感器的工作原理.2.掌握制作传感器的常用元件:
光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等的基本特性及工作原理.3.初步掌握各种常
用元件的简单应用.
                                  一、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,并能把它们按照一定的
规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断.
2.工作原理


①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.
②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.
③转换电路:将转换元件输出的不易测量的非电学量转换成易于测量的电学量,如电压、
电流、电阻等.
 深度思考
传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用?
答案 传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)
,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,所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.


 例 1  传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)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   1 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.


                                     图 1
压力传感器表面能承受的最大压强为                1×107   Pa,且已知压力传感器         R 的电阻与所受压力
                  中国现代教育网     www.30edu.com  全国最大教师交流平台

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,取   g=10 m/s2.请回答:

       压力  F/N     0    250    500    750   1 000   1 250   1 500    …
      电阻   R/Ω    300   270    240    210    180     150     120     …
(1)该秤零起点(即踏板空载时)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.
答案 (1)1.6×10-2 (2)50
                                                                          U
解析 (1)由题图表知,踏板空载时,压力传感器电阻                     R=300    Ω,此时    A 中电流   I=R=
4.8
300 A=1.6×10-2A.
                                                    U      4.8
(2)当电流   I=20 mA=20×10-3 A    时,压力传感器的电阻          R= I =20 × 10-3 Ω=240 Ω,
对应表格中,这个人的体重为             50 kg.


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.
                                 二、光敏电阻


1.特点
电阻值随光照增强而减小.
2.原因分析
光敏电阻由半导体材料制成,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,
载流子增多,导电性能变好.
3.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.


 例 2  如图   2 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(  )


                                     图 2
                  中国现代教育网     www.30edu.com  全国最大教师交流平台


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

解析 当照射光强度增大时,R3            阻值减小,外电路总电阻随            R3 的减小而减小,R1      两端电压
因干路电流增大而增大,电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,

A 项正确,D    项错误;由路端电压减小,R1           两端电压增大知,R2        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,故    C 项正确.
答案 ABC
                           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           电阻率随温度升高而减小                     电阻率随温度升高而增大
  制作材料                  半导体                               金属
    优点                 灵敏度好                     化学稳定性好,测温范围大
    作用                     把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
 深度思考
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减
小?
答案 不是.正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大,负温度系数热敏电阻
器(NTC)在温度升高时电阻值减小.


 例 3  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   3 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(  )


                                     图 3
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

D.R1 消耗的功率增大
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                                                       E

解析 当环境温度降低时,R2           变大,电路的总电阻变大,由             I=R总知    I 变小,又   U=E-

                                        2
Ir,电压表的读数       U 增大,B   正确;又由     P1=I R1 可知,R1  消耗的功率     P1 变小,D   错误;
                                                                   U2

电容器两板间的电压         U2=U-U1,U1=IR1,可知      U1 变小,U2 变大,由场强       E′=  d ,Q=

CU2 可知 Q、E′都增大,故       A 正确,C   错误.
答案 AB


解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题:
①明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性;
②解题思路:

R 局Error!
                                 四、霍尔元件


1.构造
在一个很小的矩形半导体薄片上,制作四个电极                    E、F、M、N,就成为一个霍尔元件.
2.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  间出现电压(如图       4 所示).


                                     图 4
3.作用
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.
 深度思考

如图   4 所示,霍尔元件中       M、N 间的电压     UH 如何计算?(在图中设        E、F 间通入的电流恒为
I,外加磁场为      B,薄片厚度为      d,单位体积内载流子数为           n,单个载流子所带电荷量为            q)
答案 该霍尔元件中的载流子受到磁场力作用发生偏转,造成半导体内部出现电场.载流子
同时受到电场力作用.当磁场力与电场力平衡时,MN                    间电势差达到稳定,且有
 UH
q L =qvB(L 为  MN 之间的宽度)①
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再根据电流的微观解释          I=nqSv②
S=Ld③
                      IB

由①②③整理后,得         UH=nqd.
      1           IB

令  k=nq,所以    UH=k d .


 例 4  如图   5 所示,有电流     I 流过长方体金属块,金属块宽为             d,高为    b,有一磁感应强
度为   B 的匀强磁场垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为                          n,问:金属块上、
下表面哪面电势高?电势差是多少?


                                     图 5
解析 因为自由电荷为电子,运动方向与电流方向相反,故由左手定则可判定向上偏,则
上表面聚集负电荷,下表面带等量的正电荷,故下表面电势高,设其稳定电压为                                  U,当运
                                          U
动的自由电子所受电场力与洛伦兹力平衡时,有                    eb=evB,因为导体中的电流           I=neSv=
               IB
nev·bd,故   U=ned
                    IB
答案 下表面电势高 ned


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.


1.(对传感器的理解)用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化为
电信号的过程.下列属于这类传感器的是(  )
A.红外报警装置
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B.走廊照明灯的声控开关
C.自动洗衣机中的压力传感装置
D.电饭煲中控制加热和保温的温控器
答案 A
解析 遥控器是利用红外线传输信号的,故                   A 项正确.
2.(光敏电阻的特性)如图         6 所示,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 间距不变,闭合开关        S 后,下
列说法中正确的是(  )


                                     图 6
A.当滑动触头     P 向左移动时,L      消耗的功率增大
B.当滑动触头     P 向左移动时,L      消耗的功率减小
C.当滑动触头     P 向右移动时,L      消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑动触头          P,L 消耗的功率都不变
答案 A
解析 当滑动触头        P 向左移动时,使其电阻减小,则流过二极管的电流增大,从而发光增
强,使光敏电阻       R 的阻值减小,通过灯泡          L 的电流增大,则      L 消耗的功率增大,A        正确,
B、D  错误;当滑动触头        P 向右移动时,可分析出         L 消耗的功率变小,C       错误.

3.(热敏电阻的特性)如图         7 所示,R1  为定值电阻,R2      为负温度系数的热敏电阻,L            为小灯
泡,当温度降低时(  )


                                     图 7

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
答案 C

解析 R2   与灯泡   L 并联后与    R1 串联,与电源构成闭合电路,当热敏电阻                R2 温度降低时,它
的电阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡                        L 两端电压增大,灯泡亮度变强,

R1 两端电压减小,故       C 正确,其余各项均错.
4.(霍尔元件原理分析及应用)(多选)如图               8 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
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定,则可以验证       UH 随 B 的变化情况.以下说法中正确的是(  )


                                     图 8

A.增大穿过霍尔元件工作面的磁感应强度                 B 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
答案 ABD
解析 
                                     IB
A                                                                        正确
                       B 增强,由    UH=k d ,知 UH 将变大
B           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                                   正确
C             赤道处磁场可看作与地面平行,所以工作面应保持竖直                                   错误
                                              UH

D   若磁场与工作面夹角为          θ,则应有     qvBsin θ=q  d ,可见    θ 变化时,UH    将变    正确
                                    化


题组一 对传感器的理解
1.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开通电
热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干,手靠近干手机能使传感器工作,是因为(  )
A.改变湿度                        B.改变温度
C.改变磁场                        D.改变电容
答案 D
解析 手靠近干手机后,使电容式传感器的电容改变,干手机内的电热器工作.
2.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                                  1 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(  )
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                                     图 1
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
答案 D
                                                                 U
解析 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=d知场强变化,
             εrS
A 错误;由    C=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,电路中电流方向改变,B、C                   错误.
3.(多选)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置.由于电容器的电容                                C 取决于
极板正对面积      S、极板间距离      d 以及极板间的电介质这几个因素,当某一物理量发生变化
时就能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,如图                          2 所示是四个电容式传感器
的示意图,关于这四个传感器的作用,下列说法正确的是(  )


                                     图 2
A.甲图的传感器可以用来测量角度
B.乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C.丙图的传感器可以用来测量压力
D.丁图的传感器只能用来测量速度
答案 ABC
题组二 光敏电阻的特性
4.如图  3 所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,
用光照射光敏电阻时,表针的偏角为                θ;现用手掌挡住部分光线,表针的偏角为                  θ′,则
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可判断(  )


                                     图 3
A.θ′=θ                        B.θ′<θ
C.θ′>θ                        D.不能确定
答案 B
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,指针
自左向右偏转角度变小.

5.如图  4 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(  )


                                     图 4


答案 B

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地先减
小后增大,但不会是零,所以选              B.

6.(多选)如图    5 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
光电计数器的工作原理是(  )
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                                     图 5

A.当有光照射     R1 时,信号处理系统获得高电压

B.当有光照射     R1 时,信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
答案 AC

解析 光电计数器的工作原理:当有物体挡住射到光敏电阻                         R1 的光照时,R1    电阻增大,电

路中电流减小,R2       两端电压降低,信号处理系统得到低电压,计数器每由高电压变到低电
压,就计一个数,从而达到自动计数的目的.
题组三 热敏电阻的特性
7.(多选)如图    6 为电阻   R 随温度   T 变化的图线.下列说法中正确的是(  )


                                     图 6
A.图线  1 是热敏电阻的图线,它是用金属材料制成的
B.图线  2 的热敏电阻的图线,它是用半导体材料制成的
C.图线  1 对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D.图线  2 对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
答案 BD
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大,半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而
减小,所以     A 错,B  对;图线    1 对应的材料化学稳定性好但灵敏度低,图线                  2 对应的材料
化学稳定性差但灵敏度高,所以              C 错,D  对.

8.如图  7 所示是一个火灾报警器的部分电路示意图,其中                    R2 为用半导体热敏材料(负温度

系数)制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b                     之间接报警器,当传感器           R2 所在处
出现火情时,显示器的电流            I、报警器两端的电压         U 的变化情况是(  )


                                     图 7
A.I 增大,U   增大                 B.I 减小,U   减小
C.I 减小,U   增大                 D.I 增大,U   减小
答案 B
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解析 当    R2 所在处出现火情时,半导体热敏材料制成的传感器的电阻将减小,则此时电路
中的总电阻减小,由闭合电路的欧姆定律可知:外电路的电压将减小,电路中的总电流增

大,所以    R1 上的电压增大,R3      两端的电压将减小,显示器的电流减小.故正确选项为                      B.
9.温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温
度变化的特性来工作的.如图            8 甲所示,电源的电动势         E=9 V,内阻不计;G       为灵敏电流表,

内阻   Rg 保持不变;R    为热敏电阻,其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示.闭合开关                           S,

当  R 的温度等于    20 ℃时,电流表示数        I1=2  mA;当电流表的示数        I2=3.6  mA 时,热敏电
阻的温度是(  )


                                     图 8

A.60 ℃  B.80 ℃  C.100 ℃  D.120 ℃
答案 D

解析 在    20  ℃时,E=(Rg+R1)I1,得      Rg=500  Ω,设温度为      t 时,E=(Rg+R2)I2,代入

数据得   R2=2 000 Ω,从题图乙中可以看出            t=120 ℃,故选     D.
10.如图  9 所示,由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,当闭合开关                            S 后,小灯泡
正常发光,若用酒精灯加热电阻丝时,发现小灯泡亮度变化是变暗,发生这一现象的主要
原因是(  )


                                     图 9
A.小灯泡的电阻发生了变化
B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D.电源的电压随温度发生了变化
答案 C
解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大,电阻丝的电阻也增大,电路中电流减小,根
据  P=I2R 知,小灯泡的实际功率减小,所以变暗.
题组四 霍尔元件原理分析及应用
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11.(多选)如图    10 所示是霍尔元件的示意图,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(  )


                                    图  10

A.电势  φa>φb

B.电势  φb>φa

C.电流增大时,|φa-φb|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
答案 AC
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     φa>φb,A    对,B  错;因|φa-φb|=
 IB

k d ,所以电流增大时,|φa-φb|增大,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,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故                  D 选项错误.
12.为监测某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图                               11 所示的流
量计.该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为                    a、b、c,左右两端开口.在垂直于上下
底面方向加磁感应强度大小为             B 的匀强磁场,在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电
极.污水充满管口从左向右流经该装置时,电压表将显示两个电极间的电压                               U.若用  Q 表示
污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是(  )


                                    图  11
A.若污水中正离子较多,则前表面比后表面电势高
B.若污水中负离子较多,则前表面比后表面电势高
C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大
D.污水流量    Q 与 U 成正比,与     a、b 无关
答案 D
解析 由左手定则可以判断出正离子较多时,正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚
集而导致后表面电势升高,同理负离子较多时,负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电
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                                                qU
势低,故    A、B  错误.设前、后表面间的最高电压为              U,则   b =qvB,所以    U=vBb,由此可
                                                        Uc
知  U 与离子浓度无关,故        C 错误.因   Q=vbc,而   U=cBb,所以    Q=  B ,D 正确.
13.一种半导体材料称为“霍尔材料”,用它制成的元件称为“霍尔元件”,这种材料有可
定向移动的电荷,称为“载流子”,每个载流子的电荷量大小为                           1 个元电荷量,即       q=
1.6×10-19   C,霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用,如录像机中用来测量录像
磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等.

                                                 -2               -2
在一次实验中,一块霍尔材料制成的薄片宽                   Lab=1.0×10    m、Lbc=4.0×10     m、厚  h=
1×10-3   m,水平放置在竖直方向上的磁感应强度                B=1.5   T 的匀强磁场中,bc       方向通有
I=3.0 A 的电流,如图       12 所示,沿宽度产生       1.0×10-5 V 的横向电压.


                                    图  12
(1)假定载流子是电子,a、b          两端中哪端电势较高?
(2)薄板中形成电流       I 的载流子定向运动的速率多大?
答案 (1)a (2)6.7×10-4 m/s
解析 (1)根据左手定则可确定            a 端电势高.
(2)当导体内由于载流子沿电流方向所在的直线定向运动时,受洛伦兹力作用而产生横向分
运动,产生横向电场,横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时,导体横向电压稳定.设载流子

沿电流方向所在直线定向移动的速度为                 v,横向电压为      Uab,横向电场强度为       E,电场力为
         Uab                      Uab

Fe=eE=eLab,磁场力      FB=evB,平衡时Labe=evB,
      Uab
得  v=LabB≈6.7×10-4 m/s.
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