传感器原理

课标定位学习目标：1.知道什么是传感器．2．知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻以及霍尔元件．3．知道传感器的工作原理．重点难点：对传感器工作原理的理解．课前自主学案一、什么是传感器1．定义：感受________量，并能把它们按照一定的规律转换为______量，或转换为电路的______的一类元件．非电学电学通断2．工作原理：非电学量―→传感器敏感元件、转换器件、转换电路―→电学量二、光敏电阻1．特点：电阻值随光照增强而______．2．原因分析：光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子___，导电性能___；随着光照的增强，载流子______，导电性______．3．作用：把__________这个光学量转换为______这个电学量．减小少差增多增强光照强度电阻三、热敏电阻和金属热电阻热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度升高而减小电阻率随温度升高而增大制作材料半导体金属优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围大作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量四、霍尔元件1．组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作4个电极E、F、M、N,就成为一个霍尔元件．2．原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在______力作用下,向着与______和______都垂直的方向漂移，使M、N间出现______(如图6－1－1所示)．图6－1－1磁场磁场电流电压3．霍尔电压：UH＝______，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______．4．作用：把____________这个磁学量转换为_____这个电学量．正比磁感应强度电压kIBd核心要点突破一、对热敏电阻和金属热电阻的理解1．热敏电阻图6－1－2用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，如图6－1－2所示，(1)为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线．2．热敏电阻的两种型号及其特性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大的是正温度系数(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．3．热敏电阻的用途热敏电阻器的用途十分广泛，主要应用于：(1)利用电阻——温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿；(2)利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用；(3)利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面等．4．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，称为金属热电阻．如图6－1－2中的(2)为金属导线电阻—温度特性曲线．相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好．特别提醒：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测量范围大，而热敏电阻的灵敏度较高．即时应用(即时突破，小试牛刀)1.如图6－1－3为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是()图6－1－3A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高解析：选BD.热敏电阻是由半导体材料制成的，其稳定性差，测温范围小，但灵敏度高，其电阻随着温度的升高而减小．金属电阻阻值随温度的升高而增大，图线1是金属电阻，图线2是热敏电阻．二、霍尔元件1．霍尔元件如图6－1－4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．图6－1－42．霍尔效应的原理外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，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．3．霍尔电压UH＝kIBd(1)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．(2)一个霍尔元件的d、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．特别提醒：判断电势高低时首先明确载流子是正电荷还是负电荷．即时应用(即时突破，小试牛刀)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如图6－1－5所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当光照射到R3上的光强度增大时()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D．电路的路端电压增大课堂互动讲练光敏电阻的特性例1图6－1－5【思路点拨】光敏电阻有随着光照强度的增强而阻值减小的特征，由闭合电路欧姆定律及串并联的分压、分流原理对电路进行动态分析．【自主解答】当照射光强度增大时，光敏电阻R3的阻值变小，R3与L串联后再与R2并联的总电阻值变小、干路中总电流变大，R1两端电压变大，A正确；R2两端电压减小，通过R2的电流减小，B正确；总电流变大，通过R2的减小，所以通过小灯泡L的电流变大，灯泡变亮，功率增大，C正确．因为干路中电流变大，内电压变大，路端电压变小，D错误．故选ABC.【答案】ABC【规律总结】考查光敏电阻，常与直流电路相联系．串并联电路的特点、动态分析成为这一类问题考查的热点内容．变式训练1如图6－1－6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()图6－1－6A．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的电阻变大，a点电势高于b点电势D．R3的电阻变大，a点电势低于b点电势解析：选A.光照射R3时，由光敏电阻特性，R3的电阻变小，所以UR3减小，a点电势升高，即a点电势高于b点电势，A正确．在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图6－1－7所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器．当环境温度降低时()热敏电阻的特征例2图6－1－7A．电容器C的带电量增大B．电压表的读数增大C．电容器C两板间的电场强度减小D．R1消耗的功率增大【精讲精析】当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝U2d，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．【答案】AB【规律总结】解此类问题时，R2相当于一个滑动变阻器．要把R2与金属热电阻区别开．变式训练2如图6－1－8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负温度系数的热敏电阻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．图6－1－8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．答案：左右霍尔元件的特性例3如图6－1－9所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝kIBd.式中的比例系数k称为霍尔系数．设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v、电量为e，图6－1－9(1)求电子所受的洛伦兹力的大小；(2)证明霍尔系数k＝1ne.其中n代表导体板单位体积中电子的个数．【精讲精析】(1)F＝evB.(2)电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，两力平衡，有：eUh＝evB得：U＝hvB通过导体的电流I＝nev·d·h由U＝kIBd，有hvB＝k·nevB·d·hd得k＝1ne.【答案】(1)evB(2)证明见精讲精析【规律总结】霍尔元件对我们来说是一个比较难理解和掌握的元件，我们要紧紧抓住UH＝kIBd这个关系式去把握磁感应强度这个磁学量与电学量的联系．变式训练3如图6－1－10所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用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，如果保持电流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()图6－1－10A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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将发生变化解析：选ABD.一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝kIBd，知UH将变大，故A正确．两极处磁场可看做与地面垂直，所以工作面应保持水平，故B正确．赤道处磁场可看做与地面平行，所以工作面应保持竖直，故C错误．若磁场与工作面夹角为θ则应有qvBsinθ＝UHdq，可见θ变化时，UH将变化，故D正确．