高中物理第六章传感器第1节传感器及其工作原理教学案新人教版选修32.docx
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高中物理第六章传感器第1节传感器及其工作原理教学案新人教版选修32
第1节传感器及其工作原理
1.传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
一、传感器
1．传感器的定义
能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，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。
三、热敏电阻和金属热电阻
图611
1．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611所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
图612
2．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612所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
四、霍尔元件
1．霍尔元件
图613
如图613所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成为一个霍尔元件。
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。
2．霍尔电压UH＝k
（1）其中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
（2）一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。
1．自主思考——判一判
（1）所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。
（×）
（2）传感器是把非电学量转换为电学量的元件。
（√）
（3）传感器只能感受温度和光两个物理量。
（×）
（4）随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。
（×）
（5）只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
（×）
（6）霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比。
（√）
2．合作探究——议一议
（1）为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？
提示：
电学量具有易测量，易控制，测量精度和速度较高，易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。
特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。
（2）光敏电阻和热敏电阻的特性成因相同吗？
提示：
不相同。
半导体材料受到的光照增强时，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，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是光敏电阻的特性成因。
对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是热敏电阻的特性成因。
（3）霍尔元件的成因是什么？
提示：
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，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，导体板左、右两侧会形成稳定的电压。
传感器的工作原理
传感器的工作流程如下所示：
→
→
→
→
敏感元件：
相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。
转换元件：
也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
转换电路：
是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量（如电压、电流等）或电路的通断。
1．关于传感器，下列说法正确的是（ ）
A．所有传感器都是由半导体材料做成的
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压的变化来传递信号的
D．以上说法都不正确
解析：
选B 大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻。
传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的应该是“非电学信号”。
故只有B正确。
2.（多选）如图614所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化。
关于干簧管，下列说法正确的是（ ）
图614
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．干簧管接入电路中相当于开关的作用
D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
解析：
选CD 干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的。
故C、D正确。
3．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，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．人D．光线
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，红外线属于不可见光，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D正确。
光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件
光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件特点对比
元件
特点
光敏电阻
半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小
热敏电阻
对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小
霍尔元件
霍尔元件两极间通入恒定的电流，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的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，在另两极上形成电压
[典例] 如图615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615
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
[解析] R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故选项C正确。
[答案] C
含有热敏电阻的电路的动态分析顺序
1.（多选）有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图616所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（ ）
图616
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻
解析：
选AC 热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误。
2.（多选）如图617所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。
下列说法正确的是（ ）
图617
A．M点电势比N点电势高
B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
D．若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比
解析：
选BCD 当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压UH＝k
，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。
电容式传感器
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
测定液面高度h的电容式传感器
在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，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，液面高度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
[典例] 如图618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）（ ）
图618
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
[思路点拨] 根据电容的公式C＝
和C＝
，按以下思路进行分析。
→
→
→
→
[解析] 压力F作用时，极板间距d变小，由C＝
，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。
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。
[答案] A
电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素（如力、位移、压强、声音等）的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。
1.（多选）电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图619所示。
Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。
当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流。
在膜片向右运动的过程中（ ）
图619
A．电容变大
B．电容变小
C．导线AB中有向左的电流
D．导线AB中有向右的电流
解析：
选AC 声波使膜片向右振动，MN间距减小，电容变大，A正确，B错误；MN间的电压不变，由Q＝CU知Q变大，继续充电，则导线AB中有向左的电流，C正确，D错误。
2．观察如图6110所示的电容式传感器，并回答问题。
图6110
（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__________________________________。
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
1．光传感器的作用是（ ）
A．利用光敏电阻将光信号转化为电信号
B．利用光敏电阻将电信号转化为光信号
C．利用光敏电阻将光信号与电信号互相转化
D．以上说法都不正确
解析：
选A 光传感器是利用光信号的强弱对应电阻不同而实现把光信号转化为电信号的。
2．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是（ ）
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：
选C 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对。
3．关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）
A．受到的光照越强，电阻越小
B．受到的光照越弱，电阻越小
C．它的电阻与光照强度无关
D．以上说法都不正确
解析：
选A 光敏电阻是由半导体材料做成的，光照射到光敏电阻上使载流子增多，导电能力增强，电阻变小，因此光照强度越大，电阻越小。
4．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是（ ）
A．金属导体 B．光敏电阻
C．NTC热敏电阻D．PTC热敏电阻
解析：
选C 金属导体电阻一般随温度升高而增大，光敏电阻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。
5．（多选）下列说法正确的是（ ）
A．传感器担负着信息采集的任务
B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器
C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
解析：
选ABD 传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对。
6.（多选）如图1所示，Rt为正温度系数热敏电阻，R1为光敏电阻，R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，
为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是（ ）
图1
A．热敏电阻温度升高，其他条件不变
B．热敏电阻温度降低，其他条件不变
C．光照增强，其他条件不变
D．光照减弱，其他条件不变
解析：
选BD 电压表示数变大，而R3为定值电阻，说明流经R3的电流增大，由电路结构可知，这可能是由于Rt减小或R1增大，由热敏电阻和光敏电阻特性知，可能是由于温度降低或光照减弱，故B、D正确，A、C错误。
7.（多选）电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比，现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图2所示。
压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压，若发现电压表示数增大，下列说法正确的是（ ）
图2
A．电梯可能加速上升
B．电梯可能减速下降
C．电梯加速度一定向上
D．电梯加速度一定向下
解析：
选ABC 由题意知，电压表示数增大说明电梯地板对压电片压力增大，故电梯处于超重状态，加速度一定向上，C对D错。
电梯可能加速上升也可能减速下降，A、B对。
8．如图3（a）所示的电路中，光敏电阻R2加上图（b）所示的光照时，R2两端的电压变化规律是（ ）
图3
解析：
选B 光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不能减小到零。
故选项B正确。
9．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图4甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。
小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是（ ）
图4
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
解析：
选D 在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B均错。
在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错，D对。
10．电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（即单位时间内通过
管内横截面的流体的体积）。
为了简化，假设流量计是如图5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（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表示测量的电流值。
已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为（ ）
图5
A.
B.
C.
D.
解析：
选A 设管中流体的流速为v，则在Δt时间内流体在管中向前移动的距离为vΔt，这样如图画线的流体在Δt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ΔV＝SvΔt，除以时间Δt，则得到流体在该管中的流量为Q＝
＝Sv。
对于题中所给的流量计，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、下两面产生的感应电动势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和可导电流体的电阻r＝ρ
。
这样根据欧姆定律，得到闭合电路中的电流等于I＝
，由此得到可导电流体在流量计中的流速为v＝
，流量计的流量为：
Q＝vbc＝
。
11.如图6所示，是自动控制电路的原理图，a、b间电压恒定，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。
当电路中的光敏电阻不受光的照射时用电器可以正常工作。
图6
（1）当光敏电阻受光的照射时，其阻值和电流表的示数如何变化？
（2）当光敏电阻受光的照射时，用电器工作状态怎样？
解析：
分析问题时，首先要根据光敏电阻的光敏特性，明确电路中电阻如何变化，然后再运用电路的相关知识进行判断。
受光照射时，光敏电阻的阻值会减小为原来的
～
，所以当光照射时电路总阻值变小，干路电流增大很多，R2两端电压增大很多，并联部分的电压变得很小，用电器停止工作，电流表示数变得很小。
答案：
（1）减小 减小
（2）停止工作
12．如图7甲所示为半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线，图乙为用此热敏电阻RT和继电器设计的温控电路，设继电器的线圈电阻为Rx＝50Ω，当继电器线圈中的电流Ic大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。
左侧电源电动势为6V，内阻可不计，温度满足什么条件时，电路右侧的小灯泡会发光？
图7
解析：
热敏电阻与继电器串联，若使电流不小于Ic＝20mA，则总电阻不大于R总＝
＝300Ω。
由于R总＝RT＋Rx，则RT不大于250Ω。
由甲图可看出，当RT＝250Ω时，温度t＝50℃，即温度不低于50℃。
答案：
温度不低于50℃时，电路右侧的小灯泡会发光。
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