人教版A版选修32 传感器及其工作原理 作业.docx

第六章 传感器第1节传感器及其工作原理要点一 热敏电阻和金属热电阻的区别项目电阻导电原理电阻随温度变化优点热敏电阻自由电子和空穴等载流子灵敏度较好金属热电阻自由电子的定向移动化学稳定性好，测温范围大要点二 霍尔元件的工作原理霍尔元件就是利用霍尔效应来设计的一个矩形霍尔材料薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图614所示，沿pq方向通入电流i，垂直于薄片加匀强磁场b，则在mn间会出现电势差u.设薄片厚度为d，pq方向长度为l1，图614mn方向为l2.薄片中的带电粒子即载流子受到磁场力发生偏转，使n侧与m侧产生电势差，造成材料薄片内部出现电场，载流子同时受到电场力作用当磁场力与电场力平衡时，mn间电势差达到恒定，qqvb.设一个载流子带电荷量为e，根据电流的微观解释inesv.整理后，得u.令k，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，e为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以uk.u与b成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因了注意载流子根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一、热敏电阻和金属热电阻对比1热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，它们有什么区别？从温度变化对导电性能的影响上来讲，温度升高，热敏电阻减小；金属热电阻增大从化学稳定性上讲，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2热敏电阻的用途十分广泛，主要应用于什么地方？(1)利用电阻的温度特性来测量温度、控制温度和元件、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)利用不同介质中热耗散特征的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等(4)利用热惯性作为时间延迟器3对于热敏电阻来讲，分为正温度系数电阻和负温度系数电阻，热敏电阻和金属热电阻分别属于哪种电阻？正温度系数电阻是指温度升高电阻增大的电阻，负温度系数电阻是指温度升高而电阻降低的电阻，金属热电阻属于正温度系数电阻，热敏电阻属于负温度系数电阻二、怎样理解传感器将其他信号转化为电信号的原理？1可制成热敏电阻，把温度的变化转化为电信号有的半导体，在温度升高时电阻减小得非常迅速，它能将温度变化转化成电信号，测量这种电信号，就能知道温度的变化情况如自动防火报警器中就有这种热敏电阻，当温度升高到一定值(快接近物质的着火点)时，这种热敏电阻的电阻值迅速减小，使电路接通，从而使警铃发出警报又如电子测温仪中的热敏电阻，能迅速地把人的体温转化为电信号，在显示屏上显示出人的体温2可制成光敏电阻，把光的变化转化为电信号有的半导体，在光照下电阻大大减小，它能将光的变化迅速转化为电信号，在自动控制设备中有广泛的应用，如光电计数器就是利用光敏电阻自动计数的3在纯净的半导体材料中掺入微量的杂质，可以制成晶体二极管和晶体三极管统称晶体管晶体管(二极管、三极管)、电阻、电容、电感线圈这四类电学元件组成了复杂、神秘、缤纷多彩的电子世界，从收录机、电视机、计算机、雷达、制导导弹到人造卫星的控制和回收都离不开它们.一、传感器的认识【例1】 为解决楼道的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路相接当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即被电源接通而发光，这种传感器为_传感器，它输入的是_信号，经传感器转换后，输出的是_信号解析传感器的突出特点是把非电学量转化成电学量，本题中的传感器接收的是声音信号，输出的是电信号答案声控声音电二、热敏电阻和金属热电阻【例2】 将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将万用表的两只表笔与负温度系数的热敏电阻rt(阻值随温度升高而降低)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若往r上擦一些酒精，表针将向_(填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向_(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温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏答案左右1.光敏电阻的阻值随着入射光强度的增加而_由于它对光照比较敏感，所以它可以作_传感器答案减小光电2金属的电阻率随温度的升高而_用金属丝可以制作_传感器，称为_答案增大温度热电阻3与金属不同的是，有些半导体的导电能力随温度的升高而_，故可以用半导体材料制作_答案增强热敏电阻4与热敏电阻相比，金属热电阻的_好，测温范围_，但_较差答案化学稳定性大灵敏度5霍尔元件是能够把磁学量_转换为电学量_的传感器元件答案磁感应强度电压6半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的_获得能量成为_，同时也形成更多的_，于是_明显地增强答案电子自由电子空穴导电性题型 光传感器 如图1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()图1a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记数一次d信号处理系统每获得一次高电压就记数一次答案ac解析当光照时，光敏电阻r1的值减小，r2上的电压增大，当有物体通过时，相当于无光照射，r1阻值增大，r2电压减小，所以信号处理系统每获得一次低电压，记数一次，故a、c正确拓展探究如图2所示，图2r3是光敏电阻，当开关s闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势当用光照射电阻r3时，则()ar3的电阻变小，a点电势高于b点电势br3的电阻变小，a点电势低于b点电势cr3的电阻变大，a点电势高于b点电势dr3的电阻变大，a点电势低于b点电势答案a解析r3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，r3两端电压降减小，故a点电势将升高，因其他阻值不变，所以a点电势将高于b点电势题型 电磁流量计霍尔元件 电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)图3在管中的流量(在单位时间内通过管内横截面的流体体积)为了简化，假设流量计是如图3所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c.流量计的两端与输送流体的管道相连接(图中虚线)图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料现于流量计所在处加磁感应强度为b的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻r的电流表的两端连接，i表示测得电流值已知流体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得流量为_答案(br)解析设管中流体的流速为v，则在t时间内流体在管中向前移动的距离为vt，这样如右图画线的流体在t时间内都将流过横截面设此横截面积为s，则画线的流体体积v=svt，除以时间t，则得到流体在该管中的流量为q=sv.对于题干所给的流量计，横截面积s=bc，故流过流量计的流量q=vbc，对于给定的流量计，b与c是常量，可见测流量实质上是测流速当可导电流体稳定地流经流量计，流体将切割磁感线，这样在流量计的上、下两面产生感应电动势e=vbc，其中b是垂直于流量计前后两面的匀强磁场的磁感应强度，c是流过流量计流体的厚度，v是可导电流体在流量计中的流速这样在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻r的电流表的两端连接，如右图所示，则将有电流流过闭合电路这个闭合电路中的电动势就是由可导电流体沿流量计流动切割磁感线而产生的感应电动势，如图所示，电阻包括外接的电阻r和可导电液体的电阻r=.这样根据欧姆定律，得到闭合电路中的电流等于i=.由此就得到可导电流体在流量计中的流速为v=于是就得到流过流量计的流量q=vbc=拓展探究如图4所示，图4厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为b的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面a和下侧面a之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应实验表明，当磁场不太强时，电势差u、电流i和b的关系为uk.式中的比例系数k称为霍尔系数霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场横向电场对电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，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差设电流i是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下列问题：(1)达到稳定状态时，导体板上侧面a的电势_下侧面a的电势(填“高于”“低于”或“等于”)(2)电子所受的洛伦兹力的大小为_(3)当导体板上下两侧之间的电势差为u时，电子所受静电力的大小为_(4)由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为k，其中n代表导体板单位体积中电子的个数答案(1)低于(2)evb(3)e(4)见解析解析(1)导体中电子运动形成电流，电子运动方向与电流方向相反，利用左手定则可判定电子向a板偏，a板上出现等量正电荷，所以a板电势低于a板电势(2)洛伦兹力大小fbev(3)静电力f电eee(4)由ff电得beveuhvb导体中通过的电流inevdh由uk得hvbkhvbk得k1.关于传感器，下列说法正确的是()a光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的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阻的变化来传递信号的d以上说法都不正确答案ab2如图5所示图5是观察电阻值随温度变化情况的示意图，现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是()a如果r为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显b如果r为金属热电阻，读数变小，且变化不明显c如果r为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显d如果r为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显答案c解析如果r为金属热电阻，则读数变大，但不会非常明显，故a、b均错如果r为热敏电阻，读数变化应非常明显故选c.3关于光敏电阻，下列说法正确的是()a受到光照越强，电阻越小b受到光照越弱，电阻越小c它的电阻与光照强弱无关d以上说法都不正确答案a图64如图6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()ar1两端的电压增大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c5如图7所示，图7r1、r2为定值电阻，l为小灯泡，r3为光敏电阻，当照射光强度减弱时()a电压表的示数增大br2中电流增大c小灯泡的功率增大d电路的路端电压增大答案bd6如图8所示是电容式话筒的示意图，图8它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，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，导致话筒所在电路中的其他量发生变化，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可能是电容两极板间的()a距离变化b正对面积变化c介质变化d电压变化答案a7按图9所示连接好电路，合上s，发现小灯泡不亮，原因是_；用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡_，原因是_；把热敏电阻放入冷水中会发现_图9答案温度低，热敏电阻阻值大，电磁铁磁性弱，触点断开发光温度升高，热敏电阻阻值变小，电磁铁磁性增强，触点接触灯泡熄灭8如图10所示，图10将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将两支表笔分别与电阻rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央请你根据题目所述的实际情况在下面的横线上填“左”或“右”，以保证现象的描述正确无误若该电阻rt是光敏电阻，现用不透光的黑纸将rt包裹起来，表针将向_偏转；若用手电筒光照射rt，表针将向_偏转答案左右9如图11所示，图中各个电容式传感器各是哪种形式的传感器，请说明它们的工作原理图11答案图(1)是角度的电容式传感器，其工作原理是当动金属片旋进的角度不同时，电容的正对面积不同，电容的容量不同图(2)是流体的电容式传感器，其工作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，电容的容量也随之改变图(3)是压力的电容式传感器，其工作原理是当作用在一个电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板的距离发生改变，电容的容量也发生改变图(4)是位移的电容式传感器，其工作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，导致电容的容量发生变化10将一动力传感器接到计算机上，我们可以测量快速变化的力，如图12所示的就是用这种方法测得的一光滑小球在半球形碗内的竖直平面内来回运动时，对碗面的压力大小随时间变化的曲线(如图13)试求：图12