2019-2020学年高中物理第6章传感器第1节传感器及其工作原理课件 人教版选修3-2 65页

第 1 节　传感器及其工作原理 1 ． 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电压、电流等 ________ 量，或转换为电路的 ________ 的元件． 要点一　传感器 电学　 课前教材预案 通断　 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 __________ 、传输、处理和 ________. 测量 　 控制　 1 ． 特点 光照越强，电阻越小． 2 ． 原因 无光照时，载流子少，导电性能 ________ ；随着光照的增强，载流子 ________ ，导电性 ________. 不好　 要点二　光敏电阻 增多　 变好　 3 ． 作用 把 ____________ 这个光学量转换为 ________ 这个电学量． 光照强弱　 电阻　 要点三　热敏电阻和金属热电阻 氧化锰热敏电阻 金属热电阻 特点 电阻率随温度的升高而 ________ 电阻率随温度的升高而 ________ 制作材料 半导体 金属 优点 灵敏度好 化学稳定性好 ， 测温范围大 作用 将 _______ 这个热学量转换为 _______ 这个电学量 减小　 增大　 温度　 电阻　 1 ． 构造 很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极 E 、 F 、 M 、 N . 要点四　霍尔元件 磁感应强度　 电压　 课堂深度拓展 考点一　传感器的基本构造与工作原理 1 ． 传感器的构造 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成． (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，其作用是感受被测量，并将其转换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量． (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：是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． (1) 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． (2) 不能认为传感器输出的一定是电信号，传感器的快速发展，其品种已达数万，我们今天学习的只是最基本的几种而已． 【例题 1 】　 当你走近某些宾馆、酒店的大门时，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 思维导引： 分析传感器问题一定要明确该传感器是将哪一种非电学量转化为哪一种电学量． 答案　 D 　 解析　 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，红外线不属于可见光，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，故选项 D 正确． 【变式 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 答案　 B 　 解析　 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，传感器将非电信号转换为电信号，因此传感器感知的应该是 “ 非电信号 ”． 光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻的特点对比 考点二　光敏电阻、热敏电阻和金属热电阻 元件 特点 作用 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 将光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 热敏电阻与金属热电阻的特点 (1) 热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，具体如何变化要看此热敏电阻温度系数是正的还是负的． (2) 与金属热电阻相比较，热敏电阻的灵敏度高，但测量范围不如金属热电阻大，化学稳定性也不如金属热电阻好． 【例题 2 】　 ( 多选 ) 如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中 R 1 为光敏电阻， R 2 为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是 ( 　　 ) A ．当有光照射 R 1 时，信号处理系统获得高电压 B ．当有光照射 R 1 时，信号处理系统获得低电压 C ．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D ．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 思维导引： 光照射光敏电阻时，光敏电阻阻值减小．如图所示，每当无光照射一次光敏电阻，受光电路就输出一个低电压；有光照射，受光电路就输出高电压． 答案 　 AC 　 解析　 当有光照射时，光敏电阻 R 1 的阻值减小， R 2 两端的电压增大；当有物体通过时，相当于无光照， R 1 阻值增大， R 2 两端电压减小，所以信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，故选项 A 、 C 正确． A ． I 变大， U 变小 B ． I 变小， U 变大 C ． I 变大， U 变大 D ． I 变小， U 变小 答案　 C 　 解析　 当传感器 R 3 所在处出现火情时， R 3 的阻值增大，外电路总电阻增大，根据闭合电路欧姆定律可得，干路电流变小，路端电压变大，即报警器两端的电压 U 变大； R 3 与 R 2 并联部分两端的电压变大，故显示器的电流 I 变大，选项 C 正确． 1 ． 霍尔效应 如图所示，厚度为 d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为 B 的匀强磁场中，当恒定电流 I 通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍尔效应． 考点三　霍尔元件 2 ． 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 ，就成为一个霍尔元件． 霍尔元件能够把磁感应强度 B 这个磁学量转换为电压这个电学量． 4 ． 工作原理 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． 思维导引： (1) 由带正电的 “ 空穴 ” 作为载流子，则为 P 型半导体；由自由电子作为载流子，则为 N 型半导体． (2) 电流 I ＝ nq v S ，其中 n 为载流子的密度， q 为单个载流子的电荷量， S 为载流子移动时的横截面积，而 v 为载流子移动的速度． 答案　 C 　 解析　 从前面看半导体，正视图如图甲所示，此导体中是正电荷导电，所以是 P 型半导体；通电过程中，上、下极板不断聚集电荷，上、下底面形成电场，随着电荷聚集增多，电场越来越强，电荷所受的电场力也越来越大，当达到一定程度时，电场力 F 电 与洛伦兹力 F 洛 相等．此后，电荷做匀速直线运动经过半导体的受力情况，如图乙所示，因为 F 电 ＝ F 洛 ， Eq ＝ q v B ，所以 【变式 3 】　 ( 多选 ) 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成为品种多样的磁传感器产品族，得到广泛的应用．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 U H 与 B 成正比 答案　 BCD 　 1 ． 原理 电容器的电容 C 取决于极板正对面积 S ，极板间距离 d 及极板间电介质这几个因素，如果某一物理量 ( 如角度 θ 、位移 x 、深度 h 等 ) 的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化． 考点四　电容式传感器 2 ． 常见电容式传感器 【例题 4 】 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 思维导引： 电容式传感器是一多功能传感器，可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量，分析原理时，关键要搞清是哪个非电学量转换为电容，然后结合电容的决定式来分析． 答案　 A 　 【变式 4 】　 ( 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 ) ，四边电极发出的电流会流向触点，则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 ．如果用戴了手套的手指触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作 答案 　 AB 　 解析　 电容触摸屏在原理上把手指当成一个电容器元件的一个极板，把导体层当成另一个极板，选项 A 正确；手指与屏的接触面积越大，即两个极板的正对面积越大，故电容越大，选项 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，选项 D 错误． 1 ．下列说法错误的是 ( 　　 ) 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 答案　 C 　 课末随堂演练 解析　 传感器的任务就是采集信息，选项 A 正确；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，选项 B 正确；电视遥控接收器是将遥控器发出的光信号转化为电信号的仪器，主要元件是传感器，选项 C 错误；传感器是把非电学量转换为电学量的元件，选项 D 项正确． 2 ． 霍尔元件能转换哪个物理量 ( 　　 ) A ．把温度这个热学量转换成电阻这个电学量 B ．把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量 C ．把力这个力学量转换成电压这个电学量 D ．把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量 答案　 B 　 3 ． ( 多选 ) 如图所示，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 答案 　 AD 　 解析　 严重污染时，透过污水照到 LDR 上的光线较少， LDR 电阻较大，选项 A 正确， B 错误； LDR 由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，光照强度大阻值减小，反之阻值增大，选项 C 错误；白天和晚上自然光强弱不同，会影响 LDR 的电阻，选项 D 正确． 4 ． ( 多选 ) 如图甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数比 n 1 ∶ n 2 ＝ 4∶1 ，原线圈接图乙所示的正弦交流电，副线圈与理想电压表、热敏电阻 R T ( 阻值随温度的升高而减小 ) 及报警器 P 组成闭合电路，回路中电流增加到一定值时报警器 P 将发出警报声．则下列判断正确的是 ( 　　 ) A ．变压器副线圈输出交流电的频率为 50 Hz B ．电压表的示数为 9 V C ． R T 处温度升高到一定值时，报警器 P 将会发出警报声 D ． R T 处温度升高时，变压器的输入功率减小 答案　 AC 　 解析　 由图乙知周期为 0.02 s ，故频率为 50 Hz ，选项 A 正确；原线圈电压的有效值为 36 V ，匝数比为 4 ∶ 1 ，得副线圈电压为 9 V ，电压表测量热敏电阻两端电压，故电压表示数小于 9 V ，选项 B 错误； R T 处温度升高时，阻值减小，副线圈电路电压不变，电流增大，报警器 P 报警，选项 C 正确； R T 处温度升高时，阻值减小，副线圈电路电压不变，电流增大，变压器的输出功率增大，故变压器的输入功率增大，选项 D 错误． 5 ． 如图所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极．在两极间加一电压 U ，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 ( 　　 ) A ．距离变化　 B ．正对面积变化 C ．电介质变化　 D ．电压变化 答案　 A 　 解析　 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故选项 A 正确．