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第六章传感器学案1传感器及其工作原理目标定位1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用.知识探究自我检测一、什么是传感器问题设计如图1所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭.知识探究图1盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？答案盒子里用到了干簧管.把干簧管串入电路，当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用.要点提炼1.干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个制成的簧片.作用：在电路中起到的作用，它是一种能够的传感器.图2软磁性材料开关感知磁场2.传感器定义：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便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等量)，或转换为电路的的元件.物理电学通断3.非电学量转换为电学量的意义：把转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和.4.在分析传感器时要明确：(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；(3)是如何显示或控制开关的.非电学量控制二、光敏电阻问题设计在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图3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什么？图3答案当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次.要点提炼1.光敏电阻：把电阻率与所受光照强度有关的物质(如硫化镉)涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极，这样就制成了一个光敏电阻.2.原理：无光照时，极少，导电性能；随着的增强，载流子，导电性变好.3.特点：光照越强，电阻越.4.作用：把这个光学量转换为这个电学量.载流子不好光照增多小光照强弱电阻三、热敏电阻和金属热电阻问题设计如图4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与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央.若在RT上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？图4答案由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，指针将向右偏.要点提炼1.热敏电阻：用电阻随温度变化非常明显的材料如(氧化锰)制成.按热敏电阻阻值随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻.(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻.(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻.半导体增大减小2.金属热电阻：金属的电阻率随温度而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成传感器，称为热电阻.3.热敏电阻和金属热电阻都能够把这个热学量转换为这个电学量.金属热电阻的稳定性好，测温范围，但较差.升高温度温度电阻化学大灵敏度四、霍尔元件问题设计如图5所示，在矩形半导体薄片E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则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移动，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH.试推导其表达式.图5答案设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，薄片中的载流子受到洛伦兹力发生偏转，使半导体内部出现电场，载流子同时受到电场力和洛伦兹力的作用，当洛伦兹力与电场力平衡时，M、N间电势差达到稳定.即qUl2＝qvB再根据电流的微观表达式I＝nqvS，S＝l2d整理得：U＝IBnqd令k＝1nq，其中n为材料单位体积的载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数.则有U＝kIBd.1.组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极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的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现.霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受和二力平衡.要点提炼洛伦兹力电压电场力洛伦兹力3.作用：霍尔电压UH＝kIBd(d为薄片的厚度，k为霍尔系数).其中与成正比，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为这个电学量.UHB电压4.霍尔电势高低的判断方法由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向.典例精析一、对传感器的认识例1如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置.其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端.图6(1)若把一只电压表接在c、d之间当油箱中油量减少时，电压表的示数将(选填“增大”或“减小”).解析当油量减少时，R的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小.当把电压表接在c、d两点间，电压表示数减小时，表示油量在减小.减小(2)将电压表接在b、c之间，当油箱中油量减少时，电压表的示数将(选填“增大”或“减小”).解析把电压表接在b、c之间，油量减少时，R增大，电压表的示数增大.增大二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用例2如图7所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时()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D.电路的路端电压增大图7解析当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误.由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确.结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确.答案ABC三、对霍尔元件的认识及应用例3如图8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(工作面是指较大的平面)()图8A.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将发生变化解析将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，I恒定，由公式UH＝知UH将变大，选项A正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使B与工作面垂直，选项B正确；地球赤道上的磁场沿水平方向，只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时，B才与工作面垂直，选项C错误；kIBd改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，B在垂直工作面方向上的大小发生变化，UH将发生变化，选项D正确.答案ABD课堂要点小结1.(对传感器的认识)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制成的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.水银温度计是一种传感器123自我检测解析大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该是“非电信号”，故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D错.答案B1231232.(对光敏电阻、热敏电阻的认识及电路分析)如图9所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，RG为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是()A.温度不变，光照增强B.温度升高，光照不变C.温度降低，光照增强D.温度升高，光照减弱AC图91233.(对霍尔元件的认识及应用)如图10所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有图示电流时，导体的上、下表面的电势关系为()A.UMUNB.UM＝UNC.UMUND.无法判断图10123解析霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用定向移动形成的，根据左手定则，金属导体中自由电子受到向下的洛伦兹力作用，向导体的下表面N运动，则导体的上表面M剩下正电荷，所以UMUN.故选A.答案A