人教版物理选修32 第6章 1 传感器及其工作原理.docx
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人教版物理选修32第6章1传感器及其工作原理
1 传感器及其工作原理
学习目标
知识脉络
1.了解传感器的定义，感受传感器的应用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．（重点）
3．了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及作用．（重点、难点）
传感器
1．传感器：
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．
1．传感器是一种把非电学量的变化转化为电学量的变化的元件．（√）
2．传感器一定是把非电学量的变化转化为电路的通断．（×）
3．干簧管是作为非电控元件以实现自动控制的．（√）
有一种电水壶为了防止烧干后引起事故，在水壶上安装了传感器，当壶中的水减少到一定程度时，就会自动断电，这种水壶上安装了什么样的传感器？
【提示】 这种水壶上安装了压力传感器，当水壶中的水减少到一定程度时，压力减小，压力传感器使电路断开，起保护作用．
在现代的工农业生产和日常生活中大量的应用了传感器，给我们的生产和生活带来了极大的方便．
探讨1：
传感器是起什么作用的元件？
【提示】 传感器是一种将非电学量转换为电学量的元件．
探讨2：
夜晚，楼道里漆黑一片，但随着我们的脚步声响，楼道的灯亮了，身后的灯则依次熄灭．这其中的奥密是什么？
【提示】 在电路中安装了一种能将声、光信号转换为电信号的传感器——声光延时开关．
1．传感器的组成
一般是由敏感元件，转换元件和转换电路组成，有时还需要有辅助电源．
2．传感器的原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、光、声、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的大多是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大处理后，再通过控制系统产生各种控制动作．
3．传感器的工作流程
→
→
→
→
4．各组成部分的作用
（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、湿敏等）制成的．
（2）转换元件：
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（如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等）转换成易于测量的电学量（如电压、电流、电阻等）．
1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是（ ）
【导学号：
05002146】
A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
【解析】 传感器工作的一般流程为
非电学量
敏感元件
转换元件
转换电路
电学量，因此A、B、D错，C正确．
【答案】 C
2．（多选）电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件（如图6 1 1所示），它的结构很简单，只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片．当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”．关于干簧管，下列说法正确的是（ ）
图6 1 1
A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．两个磁性材料制成的簧片接通的原因是被磁化后相互吸引
D．干簧管接入电路中相当于开关的作用
【解析】 当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化相互吸引而接通，故选项B错误，选项C正确；当磁体远离干簧管时，软磁性材料制成的簧片失去磁性，所以两簧片又分开，因此干簧管在电路中相当于开关的作用，选项A错误，选项D正确．
【答案】 CD
3．传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是（ ）
【导学号：
05002147】
A．将力学量（如形变量）转换成磁学量
B．将电学量转换成热学量
C．将光学量转换成电学量
D．将电学量转换成力学量
【解析】 传感器是指能够感受诸如力、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控制电路的通断的一类元件，故只有C项正确．
【答案】 C
传感器问题的分析思路
1．明确传感器的类型，了解传感器的工作原理．
2．确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化．
3．根据电学量的变化确定相关物理量的变化．
对敏感元件的认识
1．光敏电阻
（1）特点：
光照越强，电阻越小．
（2）原因：
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．
（3）作用：
把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．
2．热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图6 1 2所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线．
图6 1 2
3．金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图6 1 3所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．
图6 1 3
4．霍尔元件
（1）构造（如图6 1 4所示）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＝k
.d为薄片厚度，k为霍尔系数．一个霍尔元件的d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比．
图6 1 4
（3）作用
把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．
1．光敏电阻本身就是一种传感器．（×）
2．半导体制成的热敏元件温度升高时，电阻会发生大幅度变化．（√）
3．金属热电阻的温度升高时，其电阻值会明显增大．（√）
4．霍尔元件在电压稳定时，截流子所受的静电力和洛伦兹力平衡．（√）
1．热敏电阻的阻值是否一定随温度的升高而减小？
【提示】 不一定，有的随温度的升高而增大（PTC元件），有的随温度的升高而减小（NTC元件）．
2．如图6 1 5所示为矩形金属薄片，水平放入竖直向下的磁场中，当电流的方向如图所示时，试分析N、M两侧面电势的高低．
图6 1 5
【提示】 对于金属薄片，真正参与导电的是电子，当通如题图所示的电流时，电子沿电流的反方向移动，因此受到的洛伦兹力指向N，N侧面聚集负电荷，电势较低，M侧面带正电荷，电势较高，即φM>φN.
某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1（负温度系数）、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图6 1 6所示的电路中，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．
图6 1 6
探讨1：
闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？
【提示】 温度升高时，热敏电阻的阻值变小，干路的电流变大，所以电流表的示数变大．
探讨2：
闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？
【提示】 温度降低，热敏电阻的阻值变大，干路中的电流变小，R2两端的电压变小，电压表的示数变小．
1．光敏电阻：
光敏电阻一般为半导体材料制成，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．光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小．
2．热敏电阻和金属热电阻的特点
（1）热敏电阻的两种型号及其分类
热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数（PTC）热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数（NTC）热敏电阻器．
热敏电阻器可按电阻温度特性、材料、结构、工作方式、工作温度和用途进行分类．
分类方式
类别
电阻温度特性
正温度系数、负温度系数
材料
金属、半导体（单晶体、多晶体、陶瓷）
结构
珠状、片状、杆状、膜状
工作方式
直热式、旁热式
工作温度
常温、高温、低温
用途
测温控温、辐射能（功率）测量、稳压（稳幅）等
（2）热敏电阻与金属热电阻的区别
热敏电阻
金属热电阻
特点
电阻率随温度的变化而变化非常明显
电阻率随温度的升高而增大
制作材料
半导体
金属导体
优点
灵敏度好
化学稳定性好，测温范围大
作用
能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
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；UH＝
.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．
4．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是（ ）
【导学号：
05002148】
A．金属导体 B．光敏电阻
C．NTC热敏电阻D．PTC热敏电阻
【解析】 金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C对，A、B、D错．
【答案】 C
5．霍尔元件是磁传感器，是实际生活中的重要元件之一．如图6 1 7所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，现在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，其中元件中的载流子为带负电的电荷．则下列说法正确的是（ ）
图6 1 7
A．该元件能把电学量转化为磁学量
B．左表面的电动势高于右表面
C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持平面呈水平状态
D．如果在霍尔元件中的电流大小不变，则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
【解析】 霍尔元件能够把磁学量转换为电学量，A错误；由于元件中的载流子为带负电的电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的平面保持水平，则无电压产生，C错误；根据qvB＝q
得，U＝Bdv，由电流的微观定义式I＝nqSv（n是单位体积内的导电粒子数，q是单个导电粒子所带的电荷量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度）整理得v＝
，联立解得U＝
，可知用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度，保持电流不变，则左右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确．
【答案】 D
6．为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx）．某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：
照度/lx
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻/kΩ
75
40
28
23
20
18
（1）根据表中数据，请在图6 1 8甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点．
甲 乙
图6 1 8
（2）如图6 1 8乙所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路．给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图．
（不考虑控制开关对所设计电路的影响）提供的器材如下：
光敏电阻Rp（符号
，阻值见图表）
直流电源E（电动势3V，内阻不计）
定值电阻：
R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，R3＝40kΩ（限选其中之一并在图中标出）；开关S及导线若干．
【解析】
（1）根据表中的数据，在坐标纸上描点连线，得到如图所示的变化曲线．
阻值随照度变化的特点：
光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小．
（2）因天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为20kΩ，两端电压为2V，电源电动势为3V，故应加上一个分压电阻，分压电阻阻值为10kΩ，即选用R1；此电路的原理图如图所示．
【答案】 见解析
含有敏感元件电路的分析思路
1．明确敏感元件的电阻特性．
2．根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质分析电路中其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．
3．思路流程：
R局→R总→I总→U端→局部判断．
电容式传感器
在无线电技术中会用到很多电容器，电容器在电路中具有充放电的作用．
探讨1：
平行板电容器的电容与哪些因素有关？
【提示】 由C＝
知平行板电容器的电容与εr、S成正比，与d成反比．
探讨2：
电容式传感器是如何实现将非电学量转换为便于测量的电学量的？
【提示】 极板正对面积及两极板间距离的变化、电介质插入极板间深度的变化，会引起电容器电容的变化，通过测定电容的变化就可以得出引起电容变化的非电学量的变化规律．
常见电容式传感器
名称
传感器
原理
测定角度θ的电容式传感器
当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道θ的变化情况
测定液体深度h的电容式传感器
导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液体深度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况
测定压力F的电容式传感器
待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化．知道C的变化，就可以知道F的变化情况
测定位移x的电容式传感器
随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道x的变化情况
7．传感器是把非电学量（如温度、速度、压力等）的变化转换为电学量变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．如图6 1 9是一种测量液面高度h的电容式传感器的示意图．电容C大小的变化就能反映液面的升降情况．关于两者关系的说法中正确的是（ ）
图6 1 9
A．C增大表示h减小
B．C减小表示h增大
C．C减小表示h减小
D．C的变化与h变化无直接关系
【解析】 C增大表示电容器的正对面积变大，h增大，C减小表示h减小，故C正确．
【答案】 C
8．传感器是一种采集信息的重要器件，如图6 1 10是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路，当待测压力作用于膜片电极上时，下列说法中正确的是（ ）
【导学号：
05002149】
图6 1 10
①若F向下压膜片电极，电路中有从a到b的电流；
②若F向下压膜片电极，电路中有从b到a的电流；
③若F向下压膜片电极，电路中不会有电流产生；
④若电流表有示数，说明压力F发生变化；
⑤若电流表有示数，说明压力F不会发生变化．
A．②④ B．①④ C．③⑤ D．①⑤
【解析】 在电容器、电流表和电源串联成的闭合电路中，电容器两极板间电压U不变，当F向下压膜片电极时，电容器极板间距d变小，由C＝
知，电容器电容C变大，根据Q＝CU知，极板带电量将增大，电容器充电，电路中有从b到a的电流，说法②正确；若电流表有示数，说明电容器有充放电，极板带电量发生变化，根据Q＝CU知，电容器电容C发生变化，从而判断出作用在可动膜片电极上的压力F发生变化，说法④正确．故A项正确．
【答案】 A
9．如图6 1 11所示的电路可将声音信号转化为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接．声源S做位移x＝Asin（100πt）的振动，则（ ）
图6 1 11
A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变
B．a振动过程中，a、b板所带电荷量不变
C．a振动过程中，灵敏电流表中始终有方向不变的电流
D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大
【解析】 由于平行板电容器两极板与电池两极相连接，因此两极板间的电压U保持不变，根据场强E＝
，C＝
可判断A错，D对；再由Q＝CU可知，B错；由于Q变化，使电容器出现充电、放电现象，显然电流表中电流方向不断变化，C错．
【答案】 D
电容式传感器的应用
1．电容式传感器是将非电学量（如：
介质的变化、距离的变化，正对面积的变化）转化为电信号的变化．
2．电容式传感器可以测定距离、面积、压力、位移、压强等．
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