高二物理传感器

第1节传感器及其工作原理传感器热敏电阻器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加的是正温度系数(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．热敏电阻器可按电阻温度特性、材料、结构、工作方式、工作温度和用途进行分类．分类方式类别电阻温度特性正温度系数、负温度系数材料金属、半导体(单晶、多晶、陶瓷)结构珠状、片状、杆状、膜状工作方式直热式、旁热式工作温度常温、高温、低温用途测温控温、辐射能(功率)测量、稳压(稳幅)等热敏电阻器的分类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利用不同介质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等；④利用热惯性作为时间延迟器．1．传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能够把它们按照一定的规律转换为________等电学量，或转换为________．2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为________这个电学量．3．热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为________这个电学量．4．霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为________这个电学量．1．电压、电流电路的通断2．电阻3．电阻4．电压一、传感器及其原理1．传感器传感器是这样一类元件：它能够感受诸如力、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换成为电压、电流等电学量，或转换成为电路的通断．2．传感器的分类常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的．根据人测量的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类．物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质(如电阻、电压、电容、磁场等)发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等．化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的．生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等．3．传感器的原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的大多是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作．传感器原理如下图所示．非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量二、光敏电阻及其特性1．光敏电阻特性的实验探究(1)实验器材多用电表、光敏电阻、导线、黑纸、开关(2)实验步骤①用多用电表欧姆挡两表笔与在室内自然光照射下的光敏电阻两端连接，测光敏电阻阻值电路如上图所示．②用手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，测光敏电阻阻值．③全部挡住光线，测光敏电阻阻值．④将所测量数据填入下表中.光照强度强中弱R/Ω2.光敏电阻的特性根据上述实验设计可得光敏电阻的特性：光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．3．光敏电阻被光照射电阻变化的原因光敏电阻在被阳光照射时电阻发生变化，原因是构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好，随光照的增强，载流子增多，导电性能变好．如下图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2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R1时，信号处理系统获得高电压B．当有光照射R1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解析：每当光照射在光敏电阻R1上时，R1电阻变小，串联电路中，R2上的电压变大，即信号处理系统获得高电压，A对．当信号处理系统接收到一次低电压，相应计数一次，所以此题应选A、C.答案：AC变式迁移1.如右图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向________(填“左”或“右”)转动；若用手电筒照射Rt，表针将向________(填“左”或“右”)转动．解析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将Rt用不透光的黑纸包起来，电阻增大，指针左偏；若用手电筒光照射Rt，电阻减小，指针右偏．答案：左右变式迁移三、热敏电阻及其特性1．热敏电阻特性的实验探究(1)实验器材热敏电阻、多用电表、烧杯(备用冷、热水)、温度计、铁架台(2)实验步骤①如右图所示，将一热敏电阻连入电路中．用多用电表欧姆挡测其电阻，记录温度、电阻值．②将热敏电阻放入少量冷水中并将它插入有温度计的烧杯中，记录温度、电阻值．③再分几次向烧杯中倒入热水观察不同温度下热敏电阻的阻值．④在右图中，粗略描绘出热敏电阻的阻值R随温度t变化的R－t图线．⑤根据实验数据和R－t图线，说明热敏电阻的阻值是否随温度变化而均匀变化？次数待测量12345t/°CR/Ω把测量到的温度、电阻值填入下表中2．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，根据上述实验可知，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如右图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线．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，称为热电阻．右图为某金属导线的电阻－温度特性曲线．注意：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换成电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好．如下图所示，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．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，所以电流减少，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：左右变式迁移2.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下图所示电路中的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，这只元件一定是热敏电阻B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻解析：热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻不随温度变化；光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻不随之变化．答案：AC四、霍尔元件1．霍尔元件如右图所示，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．说明：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说明：(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．IBd3．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，设上图中MN方向长度为l2，则q＝qvB.根据电流的微观解释I＝nqsv，整理后，得UH＝.UHl2IBnqd令k＝，因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UH＝k.UH与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．1nqIBd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，假设流量计是如下图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.流量计的两端与送流体的管道相连(下图中虚线)．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表示测得的电流值．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()A.IB(bR＋ρca)B.IB(aR＋ρbc)C.IB(cR＋ρab)D.IB(R＋ρbca)解析：本题实质上是有关磁与电传感器的计算题，综合性强、能力要求高．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.对于题干所给的流量计，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．ΔVΔt当可导电流体稳定地流经流量计，流量体将切割磁感线，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，如右图所示，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，如下图所示，电阻包括外接的电阻R和可导电流体的电阻r＝ρ.cab这样根据欧姆定律，得到闭合电路中的电流等于I＝vBcR＋ρcab由此就得到可导电流体在流量计中的流速为v＝IBc(R＋ρcab)，于是就得到流过流量计的流量Q＝vbc＝IB(bR＋ρca)．答案：A变式迁移3．一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q＝1.6×10－19C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机电源的通断等．在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽a＝1.0×10－2m、长b＝4.0×10－2m、厚h＝1×10－3m，水平放置在竖直向上的磁感应强度B＝1.5T的匀强磁场中，bc方向通有I＝3.0A的电流，如上图所示，沿宽度产生1.0×10－5V的横向电压．bc(1)假定载流子是电子，a、b两端中的哪端电势较高？(2)薄板上形成电流I的载流子定向运动的速率多大？解析：(1)根据左手定则可确定a端电势高．(2)当导体内由于载流子有沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，导体横向电压稳定．设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速度为v，横向电压为Uab，横向电场强度为E，电场力为Fe＝E·e＝·e，磁场力UababFB＝evB，平衡时Uabab·e＝evB，得：v＝UababB＝6.7×10－4m/s.答案：(1)a(2)6.7×10－4m/s基础巩固1．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．超导体解析：题中所述四种材料中只有半导体的电阻随温度升高而减小，故选C.答案：C能力提升9．如下图所示：(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_____