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2020-2021学年1 传感器及其工作原理学案
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第六章 传感器第一节 传感器及其工作原理【知能准备】传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、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电压、电流等________量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换_______信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。常见的传感器有：__________、____________、_____________、___________、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。常见传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，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，导电性能变好，光敏电阻能够把__________这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而_________，用金属丝可以制作___________。它能把___________这个热学量转换为________这个电学量。热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而_______或_________。与热敏电阻相比，金属热电阻的___________好，测温范围___________，但_____________较差。（3）电容式位移传感器能够把物体的__________这个力学量转换为______这个电学量。OTR（4）霍尔元件能够把_______________这个磁学量转换为电压这个电学量【同步导学】一、疑难分析1．光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照射时，载流子极少，导电性能能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。图－12．热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。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。金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大。UBCDEFI4．霍尔元件：如图－2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C、D、E、F，就制成为一个霍尔元件。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。 霍尔电压： 其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。二、方法点拨图－2霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，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，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.设图中CD方向长度为L2，则： 根据电流的微观解释 I＝nqsv ， 整理后，得： 令 ，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：三、典型例题：图－3例1．如图－3所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt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。左，右。例2．传感器是一种采集信息的重要器件。如图－4所示是一种测定压力的电容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ）图－4A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化解析：当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F发生了变化。 答案：BC图－5例3．如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？（此题描述的是著名的霍尔效应现象）解析：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判断电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U。LR图－6当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即q=qvB又因为导体中的电流I＝neSv＝nev·bd故U＝答案：下表面电势高 电势差为例4．如图－6所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图，R是金属热敏电阻（温度升高，电阻增大；温度降低后电阻减小），L是消磁线圈，试说明此电路的工作过程。解析：打开彩色电视接收机的时候，消磁电路同时接通，热敏电阻温度低，处于冷状态，其电阻值很小，又由于消磁线圈电阻值也很小，所以有很大的电流通过消磁线圈，这个大电流产生很强的磁场作用于显像管上，达到给显像管消磁的目的。对显像管的消磁过程时间很短，因此完成消磁后必须切断消磁线圈的电流，电压不能加在消磁线圈上，这一过程产生的电功率很大，使热敏电阻的温度升高，导致热敏电阻的阻值很大，在热敏电阻上产生的电功率减小，使热敏电阻（后来随着热敏电阻的温度降低，其电阻值减小，但是这时消磁线圈的电压不再加上，是由热敏电阻内部的装置控制的）的阻值减小。同步检测：1．简单的说，光敏电阻就是一个简单的_____________传感器，热敏电阻就是一个简单的_______________传感器。2．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，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。3．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（ ）A．h增大 B．h减小 C．h不变 D．无法确定第4题R1R2第3题图－54．如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ）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5．如图所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的。第5题综合评价：1．关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）A．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B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好D．半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好2．霍尔元件能转换哪两个量（ ）A．把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B．把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量C．把力转换为电压这个电学量D．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量３．如图所示是测定位移的电容式传感器，其工作原理是哪个量的变化，造成其电容的变化（ ）A．电介质进入极板的长度第3题B．两极板间距C．两极板正对面积第4题R2R1R3D．极板所带电量４．如图所示，Ｒ１、Ｒ２为定值电阻，Ｌ是小灯泡，Ｒ３为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）A．电压表的示数增大B．Ｒ２中电流减小C．小灯泡的功率增大第5题R3R4R1R2D．电路的路端电压增大5．如图所示，Ｒ３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（ ）A．Ｒ３的电阻变小，a点电势高于b点电势B．Ｒ３的电阻变小，a点电势低于b点电势C．Ｒ３的电阻变小，a点电势等于b点电势D．Ｒ３的电阻变大，a点电势低于b点电势6．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（ ）A．金属导体 B．绝缘体 C．半导体 D．超导体7．如图是观察电阻值随温度变化情况示意图。现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，且变化不明显第7题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8．如图是霍尔元件的工作原理示意图，用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是（ ）A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平第8题C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化9．如图所示宽度为d，厚度为h的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当有电流I通过金属板时，在金属板上侧面A和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应，若金属板内自由电子密度为n，则产生的电势差U＝___________第9题参考答案：知能准备1．非电学量，电学，电压、电流，光学传感器、热学传感器、色标传感器，加速度传感器，2．（1）光照强弱，（2）增大，温度传感器，温度，电阻，（3）位移，电容，（4）磁感强度。同步检测：1．光电 热电 2．声控 声音 电 3．A 4．C5．角度增大，正对面积减小，电容器电容变小综合评价：1、ABD 2、B 3、A 4、ABC 5、A ６、C 7、C 8、ABD 9、
第六章 传感器第一节 传感器及其工作原理【知能准备】传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、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电压、电流等________量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换_______信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。常见的传感器有：__________、____________、_____________、___________、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。常见传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，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，导电性能变好，光敏电阻能够把__________这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而_________，用金属丝可以制作___________。它能把___________这个热学量转换为________这个电学量。热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而_______或_________。与热敏电阻相比，金属热电阻的___________好，测温范围___________，但_____________较差。（3）电容式位移传感器能够把物体的__________这个力学量转换为______这个电学量。OTR（4）霍尔元件能够把_______________这个磁学量转换为电压这个电学量【同步导学】一、疑难分析1．光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照射时，载流子极少，导电性能能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即光敏电阻值随光照增强而减小。光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量。图－12．热敏电阻：用半导体材料制成，其电阻随温度变化明显，温度升高电阻减小，如图－1为某一热敏电阻－温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。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。金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大。UBCDEFI4．霍尔元件：如图－2所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C、D、E、F，就制成为一个霍尔元件。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。 霍尔电压： 其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压UH的变化就与B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。二、方法点拨图－2霍尔效应的原理：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，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，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压.设图中CD方向长度为L2，则： 根据电流的微观解释 I＝nqsv ， 整理后，得： 令 ，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：三、典型例题：图－3例1．如图－3所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt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。左，右。例2．传感器是一种采集信息的重要器件。如图－4所示是一种测定压力的电容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（ ）图－4A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化解析：当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F发生了变化。 答案：BC图－5例3．如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？（此题描述的是著名的霍尔效应现象）解析：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判断电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U。LR图－6当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即q=qvB又因为导体中的电流I＝neSv＝nev·bd故U＝答案：下表面电势高 电势差为例4．如图－6所示是彩色电视接收机的消磁电路示意图，R是金属热敏电阻（温度升高，电阻增大；温度降低后电阻减小），L是消磁线圈，试说明此电路的工作过程。解析：打开彩色电视接收机的时候，消磁电路同时接通，热敏电阻温度低，处于冷状态，其电阻值很小，又由于消磁线圈电阻值也很小，所以有很大的电流通过消磁线圈，这个大电流产生很强的磁场作用于显像管上，达到给显像管消磁的目的。对显像管的消磁过程时间很短，因此完成消磁后必须切断消磁线圈的电流，电压不能加在消磁线圈上，这一过程产生的电功率很大，使热敏电阻的温度升高，导致热敏电阻的阻值很大，在热敏电阻上产生的电功率减小，使热敏电阻（后来随着热敏电阻的温度降低，其电阻值减小，但是这时消磁线圈的电压不再加上，是由热敏电阻内部的装置控制的）的阻值减小。同步检测：1．简单的说，光敏电阻就是一个简单的_____________传感器，热敏电阻就是一个简单的_______________传感器。2．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，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。3．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（ ）A．h增大 B．h减小 C．h不变 D．无法确定第4题R1R2第3题图－54．如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ）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5．如图所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的。第5题综合评价：1．关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）A．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B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好D．半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好2．霍尔元件能转换哪两个量（ ）A．把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B．把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量C．把力转换为电压这个电学量D．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量３．如图所示是测定位移的电容式传感器，其工作原理是哪个量的变化，造成其电容的变化（ ）A．电介质进入极板的长度第3题B．两极板间距C．两极板正对面积第4题R2R1R3D．极板所带电量４．如图所示，Ｒ１、Ｒ２为定值电阻，Ｌ是小灯泡，Ｒ３为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）A．电压表的示数增大B．Ｒ２中电流减小C．小灯泡的功率增大第5题R3R4R1R2D．电路的路端电压增大5．如图所示，Ｒ３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（ ）A．Ｒ３的电阻变小，a点电势高于b点电势B．Ｒ３的电阻变小，a点电势低于b点电势C．Ｒ３的电阻变小，a点电势等于b点电势D．Ｒ３的电阻变大，a点电势低于b点电势6．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（ ）A．金属导体 B．绝缘体 C．半导体 D．超导体7．如图是观察电阻值随温度变化情况示意图。现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，且变化不明显第7题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8．如图是霍尔元件的工作原理示意图，用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是（ ）A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平第8题C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化9．如图所示宽度为d，厚度为h的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当有电流I通过金属板时，在金属板上侧面A和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应，若金属板内自由电子密度为n，则产生的电势差U＝___________第9题参考答案：知能准备1．非电学量，电学，电压、电流，光学传感器、热学传感器、色标传感器，加速度传感器，2．（1）光照强弱，（2）增大，温度传感器，温度，电阻，（3）位移，电容，（4）磁感强度。同步检测：1．光电 热电 2．声控 声音 电 3．A 4．C5．角度增大，正对面积减小，电容器电容变小综合评价：1、ABD 2、B 3、A 4、ABC 5、A ６、C 7、C 8、ABD 9、
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