2018_2019学年高中物理第六章传感器第1节传感器及其工作原理学案新人教版.docx

第1节传感器及其工作原理1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义2.知道将非电学量转化为电学量的意义3了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用一、什么是传感器1定义：能够感受力、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的元件2非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制二、光敏电阻1特点：光照越强，电阻越小2原理：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，导电性变好(载流子：电路做定向移动形成电流的微粒)3作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量三、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，测温范围大作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量四、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，UHk3作用：把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 判一判(1)有光照射时，光敏电阻的阻值变大()(2)热敏电阻在温度升高时阻值变小()(3)金属热电阻在温度升高时阻值变小()(4)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关()提示：(1)(2)(3)(4) 做一做(多选)下列有关传感器叙述，正确的是()A交警使用的酒精测试仪是一种物理传感器，是靠吹气的压力来工作B红外线传感器是靠接收发热物体发出的红外线来工作C红外线传感器就是温度传感器D传感器是将非电学量转换成电学量的一种元件提示：选BD.交警使用的酒精测试仪不是靠吹气的压力来工作，而是依靠酒精浓度的变化改变电阻来工作，故A项错误红外线传感器是靠接收发热物体发出的红外线来工作，故B项正确红外线传感器就是光传感器，故C项错误传感器是将非电学量转换成电学量的一种元件，故D项正确 想一想为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连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，这种传感器是什么传感器，它的输入、输出信号各是什么？提示：它是声电传感器，输入的是声信号，输出的是电信号传感器的原理和应用1传感器的组成和工作流程(1)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：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)传感器的工作流程2传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，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在理解传感器的原理时要注意以下三点第一，明确传感器所采用的核心部分是什么第二，传感器的输入量是什么第三，传感器的输出量是什么如图所示(1)图甲是_的电容式传感器，原理是_.(2)图乙是_的电容式传感器，原理是_.(3)图丙是_的电容式传感器，原理是_.(4)图丁是_的电容式传感器，原理是_.思路点拨 电容式传感器的分析依据是平行板电容器电容的决定式C.解析(1)图甲是角度的电容式传感器，其原理是当动片旋进的角度不同时，电容器的正对面积不同，电容不同(2)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，当液体深度发生改变时，相当于两极板的正对面积发生改变，电容也随之改变(3)图丙是压力的电容式传感器，其原理是当作用在可动电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板间的距离发生改变，电容也发生改变(4)图丁是位移的电容式传感器，其原理是电介质板和物体固定在一起，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，导致电容发生变化答案见解析电容式传感器中的电容C，电容的大小由r、S、d三个量决定，当其中一个量变化时，电容变化，引起串并联电路中电流或电压发生变化分清哪个量发生变化引起了电容的变化，是解决电容式传感器问题的关键 (2018南昌高二检测)如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的()A距离变化B正对面积变化C介质变化 D电压变化解析：选A.平行板电容器的电容CrS/d，本题中的介质没有变化，正对面积也没有变化，引起电容变化的因素是板间距离d.故选A.对几种传感器元件特性的理解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：指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻如图线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，如图线所示，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3霍尔元件(1)电场的产生：运动的载流子在洛伦兹力作用下在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场(2)电压的形成：横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压：UHk.UH与B成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因 命题视角1光敏电阻的特性(多选)(2018苏州中学高二检测)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()A电压表的示数增大BR2中电流强度减小C小灯泡的功率增大D电路的路端电压增大解析光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏感元件，同时也是转换器件当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大，可知R2两端电压必减小，则R2中电流减小，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，C项正确答案ABC 命题视角2热敏电阻的特性如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)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()AI变大、U变大BI变小、U变小CI变小、U变大 DI变大、U变小思路点拨 解答本题时可按以下思路分析： 解析当R2处出现火情时，R2接入电路的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，U减小，电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流I减小，B正确答案B 命题视角3霍尔元件的特性如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为h，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，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？思路点拨 (1)金属导体中自由电荷是什么？(2)自由电荷在图示磁场中所受洛伦兹力方向如何？解析因为载流子是自由电子，根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向(即电流方向)，拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，则上表面积累负电荷，下表面就多余等量的正电荷，即下表面的电势高当电场力与洛伦兹力平衡时，上、下表面的电压稳定，即eE场evB又知导体中电流InevSnevhd联立方程得U.答案下表面的电势高 (1)解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时，首先要明确两种元件阻值大小的变化规律，然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况(2)在霍尔现象中要明确定向移动的电荷是哪种电荷，才能分清电势的高低，负电荷向某一方向定向移动与正电荷向相反方向定向移动不等效 【通关练习】1(多选)数码相机和数码摄像机在人们生活中的应用越来越普及在数码摄像器材中，使用了一种新型的敏感元件，叫电荷耦合器(CCD)，下列关于CCD的说法正确的是()A它能将光信号转换成模拟电信号B它能将模拟电信号转换为数字电信号C它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件D它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个热敏元件解析：选AC.CCD是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件，每个光敏元件都把它所受到的光转换成相应量的电荷，于是整块CCD就把一幅图象的光信号转换成相应的模拟电信号，然后再通过A/D转换器转换为数字信号，以便于计算机处理，故选项A、C正确2(多选)如图所示是用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是()A严重污染时，LDR是高电阻B轻度污染时，LDR是高电阻C无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定D该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响解析：选AD.严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D对随堂检测12007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术，被认为是纳米技术的第一次真正应用在下列有关其他电阻应用的说法中，错误的是()A热敏电阻可应用于温度测控装置中B光敏电阻是一种光电传感器C电阻丝可应用于电热设备中D电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用解析：选D.热敏电阻对温度很敏感，光敏电阻对光照很敏感，电阻丝可用于电加热，A、B、C正确；交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，D错误2许多饮水机，可以保证出水温度恒定，采取的方法是()A持续加温B设定程式，固定各次加温时间及加热时间间隔C水温低于设定温度时加热，达到设定温度时，停止加热D人工控制加温按钮解析：选C.饮水机温度控制系统以调节饮水机温度为目的，其输入参数主要是水温信号和设置的设定温度输出信号主要是温度显示、声光报警和执行加热工作时传感器将温度传给单片机，当水温低于设定温度时，单片机控制加热模块加热，当温度高于设定温度，继电器断开，加热停止从而实现温度控制的目标. 故选C.3(多选)如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图图中油量表由电流表改装而成，金属杠杆的一端接浮标，另一端触点O接滑动变阻器R.当油箱内油面下降时，下列分析正确的有()A触点O向下滑动B触点O向上滑动C电路中的电流增大了D电路中的电流减小了解析：选BD.当滑箱内油面下降时，浮标下降，由杠杆可以看出触点O向上滑动，变阻器R的阻值变大，电流减小，所以选项A、C错误，B、D正确4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，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，以下说法中错误的是()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将发生变化解析：选C.电子最终在电场力和洛伦兹力作用下处于平衡状态，有evB，解得UHvBL，则将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，则UH将变大，故A正确；地球赤道上方的地磁场方向水平，两极处的磁场方向竖直，在测地球赤道上方的地磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持竖直，在测量两极磁场强弱时，霍尔元件的工作面应水平，故B正确，C错误；改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，需将磁场进行分解，在垂直于工作面方向上的磁感应强度小于原磁场磁感应强度的大小，则UH将发生变化，故D正确5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g10 m/s2.请回答：压力F/N02505007501 0001 2501 500电阻R/300270240210180150120(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.解析：(1)由图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R300 ，此时A中电流I A1.6102 A.(2)当电流I20 mA20103A时，压力传感器的电阻R 240 ，对应表格中，这个人的质量为50 kg.答案：(1)1.6102(2)50课时作业一、单项选择题1当你走近某些宾馆、酒店的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息()A温度B运动C可见光 D红外线解析：选D.自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用自动门实际使用的是红外线传感器，红外线不属于可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门故选项D正确2如图所示，某半导体热敏电阻的IU图线可能是()解析：选B.热敏电阻IU图线是非线性的，并且随电流增大温度升高，电阻减小，故A、C、D错误，B正确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()ABD不能确定解析：选B.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4.(2018苏州高二检测)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距离不变，下列说法正确的是()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消耗的功率都不变解析：选A.滑动触头P左移，使其电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R减小，最终达到增大流过灯泡电流的效果5(2018福建莆田一中月考)居民楼的楼道里，夜里只是偶尔有人经过，电灯如果总是亮着会造成很大浪费科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”，天黑时自动闭合，天亮时自动断开；利用“声敏”材料制成“声控开关”，当有人走动发出声音时自动闭合，无人走动时自动断开若将这两种开关配合使用，下列电路符合要求的是()解析：选D.根据题意可得，声控开关和光控开关串联后共同控制灯泡，即用导线将各元件依次连接起来故选D.6(2018包头高二检测)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甲所示，电源的电动势E9 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I12 mA；当电流表的示数I23.6 mA时，热敏电阻的温度是()A60 B80 C100 D120 解析：选D.在20 时，E(RgR1)I1，得Rg500 ；设温度为t时，E(RgR2)I2，代入数据得R22 000 ，从题图乙中可以看出t120 ，故选D.7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，导致灵敏电流表指针偏转，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解析：选A.压力F作用时，极板间距d变小，由C知，电容器电容C变大，又根据QCU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，电流从灵敏电流表正接线柱流入，所以指针将向右偏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.8(2018北京师大附中月考)在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图所示M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻RM发生变化，导致S两端电压U增大，装置发出警报，此时()ARM变大，且R越大，U增大越明显BRM变大，且R越小，U增大越明显CRM变小，且R越大，U增大越明显DRM变小，且R越小，U增大越明显解析：选C.当RM变大时，回路的总电阻R总变大，根据I总，得干路中的电流变小，S两端的电压UI总RS变小，故选项A、B错误；当RM变小时，回路的总电阻R总RS变小，根据I总，得干路中的电流变大，S两端的电压UI总RS变大，而且R越大，RM变小时，对回路的总电阻变化的影响越明显，故选项C正确，选项D错误9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()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无关解析：选D.这个题目与课本中本节课介绍的霍尔元件工作原理相似，等效为金属杆切割类的问题，根据UBbv，v为污水的流速，b为等效切割的长度根据左手定则可以判断出，无论污水中正离子较多还是污水中负离子较多，总是后表面比前表面电势高，故A、B错误；由UBbv可以看出，电压表的示数与污水中离子浓度无关，所以C错误；由UBbv和Qbcv可知Q，污水流量Q与U成正比，与a、b无关，D正确二、多项选择题10数字跑道已在北京奥运会田径竞走、跳远和三级跳等重点奥运项目中投入使用，数字跑道和数字跑鞋为运动健儿们在科学训练和比赛中发挥了积极作用该跑道采用了大面积柔性压力阵列传感器、现场总线网络和分布式信息处理技术，可实时检测运动员步频、步距、足部触地时间、离地时间、速度、发力大小、发力角度等信息，在此基础上构建了训练信息采集和技术诊断分析系统，为田径项目提供了一种全新的科学化训练平台下列关于数字跑道的说法正确的是()A传感器需要有敏感元件和转换电路等组成B压力阵列传感器应该是一种力电传感器C奥运会中应用的传感器智能化程度很高，直接感应的是电学量，不需要力电转换D奥运会中应用的传感器智能化程度尽管很高，但传感器都是将非电学量转换为电学量解析：选ABD.根据题目情景叙述，跑道上使用的是压力传感器，所有的传感器都要先通过敏感元件采集信息，然后再由转换电路将采集到的力、热、光等非电学量转换为便于测量的电压或电流等电学量当转换电路采用计算机进行信息处理，并输出数字信息时，这种传感器就可以称得上是智能传感器了，故选ABD.11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为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是()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