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1、1 传感器及其工作原理,第六章 传感器,学习目标,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.,内容索引,自主预习 预习新知 夯实基础,重点探究 启迪思维 探究重点,达标检测 检测评价 达标过关,自主预习,一、传感器及工作原理 1.传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等 量)，或转换为电路的 的元件. 2.非电学量转换为电学量的意义：把 转换为电学量，可以方便地
2、进行测量、传输、处理和 .,物理,电学,通断,非电学量,控制,二、光敏电阻的特点及工作原理 1.当半导体材料受到 或者温度 时，会有更多的电子获得能量成为 电子，同时也形成更多的空穴，于是导电能力明显增强. 2.光敏电阻是用 材料(如硫化镉)制成的.它的特点是光照越强，电阻越 .它能够把 这个光学量转换为 这个电学量.,光照,升高,自由,半导体,小,光照强弱,电阻,三、热敏电阻和金属热电阻的特点 1.热敏电阻：用 材料制成.可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻. (1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻 . (2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻 . 2.金属
3、热电阻：金属的电阻率随温度 而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成 传感器，称为热电阻.,半导体,增大,减小,升高,温度,四、霍尔元件的特点 1.霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受 和 二力平衡. 2.霍尔电压：UHk (d为薄片的厚度，k为霍尔系数).其中 的变化与 成正比，所以霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量.,电场力,洛伦兹力,UH,B,1.判断下列说法的正误. (1)传感器可以把非电学量转化为电学量.( ) (2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大.( ) (3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低.( ) (4
4、)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出. ( ),答案,即学即用,2.如图1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，电流表的读数_(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度_(填“变亮”或“变暗”).,变小,变亮,答案,图1,重点探究,(1)会发生什么现象，为什么？,导学探究 干簧管结构：如图2所示，它是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图3电路，当条形磁铁靠近干簧管时：,一、传感器,图2,答案 灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通.,答案,图3,(2)干簧管的作用是什么？,答案 干簧管起到开关的作用，是一种
5、能够感知磁场的传感器.,答案,知识深化 1.传感器的原理：,2.在分析传感器时要明确： (1)核心元件是什么； (2)是怎样将非电学量转化为电学量； (3)是如何显示或控制开关的.,例1 如图4是一种测定油箱油量多少或变化多少的装 置.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.在装置中使用了一只电压表(图 中没有画出)，通过观察电压表示数可以了解油量情况. 若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变 化时，电压表的示数如何变化？,答案 见解析,答案,解析,图4,解析 把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R增大，电压表的示数
6、增大.把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小.,导学探究 在工厂生产车间的生产线上安装 计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，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.此光电计数器的基 本工作原理是什么？,二、光敏电阻,答案,答案 当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次.,图5,例2 (多选)(2017扬州、泰州、南通、淮安、宿迁、 徐州六市3月联考)如图6所示的闭合电
7、路中，R是半 导体光敏电阻，R1为滑动变阻器.现用一束光照射光 敏电阻，则 A.电流表读数变大 B.电压表读数变大 C.电源的总功率变大 D.电源内阻的功率变大,解析,答案,图6,解析 一束光照射光敏电阻，光敏电阻的阻值变小，根据闭合电路欧姆定律可得总电流变大，电流表读数变大，滑动变阻器R1与电源内阻分压均增大，光敏电阻两端的电压减小，电压表读数变小，A正确，B错误； 电源的总功率PEI，电流增大，所以电源的总功率增大，C正确； 电源内阻的功率PrI2r，电流增大，电源内阻的功率增大，D正确.,导学探究 如图7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
8、(温度 升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的 正中央.若在RT上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风 机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？,三、热敏电阻和金属热电阻,图7,答案,答案 由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，表针将向右偏.,例3 (多选)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8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 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
9、两板间的电场强度减小 D.R1消耗的功率增大,图8,解析,答案,又由P1I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；,含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤 (1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光照强度)的变化是增大还是减小. (2)分析整个回路的电阻的增减、电流的增减. (3)分析部分电路的电压、电流如何变化.,导学探究 如图9所示，在矩形半导体薄片E、F间通入 恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间 会出现电压，称为霍尔电压UH. (1)分析为什么会出现电压.,四、霍尔元件,图9,答案,答案 薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，
10、使M、N间出现了电压.,(2)试推导UH的表达式.,答案,答案 设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，受力分析如图,再根据电流的微观表达式InqvS，Sl2d,知识深化 霍尔电势高低的判断方法：利用左手定则，即磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子是负电荷，则拇指所指的面为低电势面.,例4 (2017扬州邗江中学高二(下)期中)霍尔元件是一种 应用霍尔效应的磁传感器，广泛应用于各领域，如在翻 盖手机中，常用霍尔元件来控制翻盖时开启或关闭运行 程序.如图10所示是一霍尔元件的示意图，通入沿x轴正
11、向 的电流I，沿y轴正向加恒定的匀强磁场B，图中a、b是垂直于z轴方向上元件的前后两侧面，霍尔元件宽为d(a、b间距离)，ab间将出现电压Uab，则 A.a、b间电压Uab仅与磁感应强度B有关 B.若霍尔元件的载流子是自由电子，则ab两端电压Uab0 C.若霍尔元件的载流子是正电荷，则ab两端电压Uab0 D.若增大霍尔元件宽度d，则ab间电压Uab一定增大,图10,解析,答案,若霍尔元件的载流子是自由电子，根据左手定则，电子向a侧面偏转，a表面带负电，b表面带正电，所以b表面的电势高，则Uab0.故C错误； 由A选项分析知，a、b间电压与霍尔元件厚度有关，与宽度无关，故D错误.,达标检测,1
12、.(对传感器的理解)在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是 A.光传感器 B.温度传感器 C.声传感器 D.磁传感器,答案,1,2,3,4,2.(光敏电阻的特性)如图11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，R和L之间用挡板(未 画出)隔开，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，下列说法中正确的是 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,1,2,3,
13、4,图11,解析,答案,1,2,3,4,解析 滑动触头P左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，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的电流的效果.,3.(热敏电阻的特性)(2018如东中学阶段性检测)某温 控电路的原理如图12所示，RM是负温度系数的热敏 电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在15 27 的环境中工作.当环境温度偏高或偏低时，控制器会 自动启动降温或升温设备.下列说法中正确的是 A.环境温度降低，RM的阻值减小 B.环境温度升高，Uab变大 C.滑片P向下移动时，Uab变大 D.调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度,答案,1,2,
14、3,4,图12,解析,解析 环境温度降低时，RM变大，A错， 温度升高，RM减小，Uab变小，B错. 滑片向下移动，回路电流减小，Uab变小，调节滑片位置能改变临界温度，D正确.,1,2,3,4,4.(霍尔元件的认识及应用)(多选)如图13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 A.电势ab B.电势ba C.仅电流增大时，|ab|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,1,2,3,4,解析,图13,答案,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a侧偏转，所以ba，B正确，A错误； 因|ab|k ，所以电流增大时，|ab|增大，C正确； 若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向a侧偏转，|ab|0，即不产生霍尔效应，故D错误.,1,2,3,4,