山东省高中物理选修11讲义传感器及其工作原理.docx

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山东省高中物理选修11讲义传感器及其工作原理

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

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，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。

2．金属热电阻

有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图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

如图所示，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

1．传感器的组成和工作流程

（1）传感器的组成

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、力敏，湿敏等）制成的。

②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。

③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。

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（　　）

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（　　）

A．I变大、U变大　　　　　B．I变小、U变小

C．I变小、U变大D．I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，热敏电阻的阻值将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，路端电压将减小，电路中的总电流增大，所以R1两端的电压增大，由于路端电压减小，则并联部分的电压减小，通过R3的电流I变小，所以显示器的电流I变小，报警器的电压U变小，故选B。

[答案]　B

含有热敏电阻的电路的动态分析顺序

1.[多选]有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的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（　　）

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（　　）

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。

3．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。

如图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的Rt图线所示，闭合开关，当R的温度等于120℃时，电流表示数I1＝3mA，求：

（1）电流表G的内阻Rg。

（2）当电流表的示数I2＝1.8mA时，热敏电阻R的温度。

解析：

（1）由题图乙知热敏电阻R的温度在120℃时，电阻为2kΩ，闭合电路的电流为I1＝3mA

根据闭合电路欧姆定律得：

Rg＝－R＝Ω＝1000Ω。

（2）当电流表的示数I2＝1.8mA时

R＝－Rg＝Ω＝4000Ω

由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4000Ω时的温度为20℃

答案：

（1）1000Ω　

（2）20℃

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

[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，灵敏电流计中通过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（　　）

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．观察如图所示的电容式传感器，并回答问题。

（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，金属片发生形变，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．[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。

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．热敏电阻D．霍尔元件

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，正温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，霍尔元件随磁感应强度的增大而增大，故C对，A、B、D错。

5．[多选]如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。

在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容（耦合电容），电流由四边电极流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。

由以上信息可知（　　）

A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指

B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大

C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小

D．如果用戴了较厚手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作

解析：

选AB　电容触摸屏在原理上把人体当做电容器的一个极板，把导体层当做另一个极板，故A正确；手指与屏的接触面积越大，两个极板的正对面积越大，故电容越大，B正确，C错误；如果戴了手套或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为手与导体层距离较大，不能引起导体层电场的变化，D错误。

6.[多选]如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则（　　）

A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高

B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低

C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压

D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压

解析：

选BC　R1是光敏电阻，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得U＝E－I（R1＋r），当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项正确；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大。

A、B间的电压U减小，故D项错误。

7.如图所示，一段长方体形导电材料，左右两端面的边长分别为a和b，内有带电荷量为q的某种自由运动电荷。

导电材料置于方向垂直于其前表面向里的匀强磁场中，内部磁感应强度大小为B。

当通以从左到右的稳恒电流I时，测得导电材料上、下表面之间的电压为U，且上表面的电势比下表面的低。

由此可得该导电材料单位体积内自由运动电荷数及自由运动电荷的正负分别为（　　）

A.　负B.　正

C.　负D.　正

解析：

选C　因导电材料上表面的电势比下表面的低，故上表面带负电荷，根据左手定则可判断自由运动电荷带负电，则B、D两项均错；设长方体形材料长度为L，总电荷量为Q，则其单位体积内自由运动的电荷数为，当电流I稳恒时，材料内的电荷所受电场力与磁场力相互平衡，则有＝BIL，故＝，A项错误，C项正确。

8．如图甲所示的电路中，光敏电阻R2加上图乙所示的光照时，R2两端的电压变化规律是（　　）

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（　　）

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.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，电压表的示数越大

D．污水流量Q与U成正比

解析：

选D　由左手定则可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后表面偏转聚集而导致后表面电势比前表面电势高，同理，负离子较多时，负离子向前表面偏转聚集而导致前表面电势比后表面电势低，故A、B项错误；设前、后表面间的最高电压为U，则＝qvB，所以U＝vBb，由此可知U与离子浓度无关，故C项错误；因Q＝vbc，而U＝vBb，所以Q＝，D项正确。

11.如图所示，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。

（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.如图所示，小铅球P系在细金属丝下，悬挂在O点，开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态。

当将小铅球P放入水平流动的水中时，球向左摆动一定的角度θ，水流速度越大，θ越大。

为了测定水流对小球作用力的大小，在水平方向固定一根电阻丝BC，其长为L，它与金属丝接触良好，不计摩擦和金属丝的电阻，C端在O点正下方处，且OC＝h。

图中还有电动势为E的电源（内阻不计）和一只电压表。

请你连接一个电路，使得当水速增大时，电压表示数增大。

解析：

电路图如图所示。

设CD＝x，P球平衡时，由平衡条件可得tanθ＝＝①

根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律可得

I＝＝②

根据电阻定律可得RL＝ρ③

Rx＝ρ④

由①②③④式可得U＝，

因为水流速度越大，θ越大，所以U越大。

答案：

见解析