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第六章传感器1传感器及其工作原理一、传感器1.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电压、电流等_____量,或转换为电路的_____的元件。非电学电学通断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_____。测量控制二、光敏电阻1.特点:光照越强,电阻_____。2.原理: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_____。3.作用:把_________这个光学量转换为_____这个电学量。越小不好增多变好光照强弱电阻三、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___作用将_____这个热学量转换为_____这个电学量减小增大大温度电阻四、霍尔元件1.构造:很小的矩形半导体薄片上,制作四个电极E、F、M、N。2.霍尔电压:如图,E、F间通入恒定电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,则M、N间出现霍尔电压UH,UH=____。3.作用:把___________这个磁学量转换为_____这个电学量。IBkd磁感应强度电压【思考辨析】(1)传感器的作用是把电学量转化为非电学量。()(2)光敏电阻随光照的增强,导电性能变好。()(3)热敏电阻能够把热学量转化为电学量。()(4)金属热电阻和热敏电阻在温度升高时电阻都变大。()(5)热敏电阻灵敏度高,金属热电阻测量范围大。()提示:(1)×。传感器的作用是把非电学量转化为可测量的电学量。(2)√。光敏电阻的导电能力随光线的强弱而变化,但光照越强,电阻越小,导电能力越强。导电性能越好。(3)√。热敏电阻就是把温度这个热学量转化为电学量的。(4)×。金属热电阻在温度升高时电阻增大,而热敏电阻在温度升高时电阻变小。(5)√。热敏电阻是半导体材料制成,灵敏度高,金属热电阻由于化学稳定性好,所以测量范围大。一对传感器的认识【典例】关于传感器工作的一般流程,下列说法中正确的是世纪金榜导学号()A.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量C.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量【正确解答】选A。传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,传感器工作的一般流程为:非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。所以A正确,B、C、D错误。故选A。【核心归纳】1.传感器的核心元件:(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。(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: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。2.传感器的工作原理: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,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等。这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示:3.传感器分类:(1)物理传感器:利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象的信息。如压力传感器、温度传感器、光电传感器、电容传感器等。(2)化学传感器:利用化学反应识别和检测信息。如气敏传感器。(3)生物传感器:利用生物化学反应识别和检测信号。如酶传感器、细胞传感器等。【过关训练】1.下列说法正确的是()A.光敏电阻能够把电信号转换成光信号B.干簧管是一种能够感知静电场的传感器C.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D.电容式位移传感器能够把电动势这个电学量转化为物体的位移这个力学量【解析】选C。光敏电阻是由半导体材料制成的,其电阻值随光照的强弱发生变化,能够把光照强弱变化转换为电阻大小变化,把光信号转变成电信号,故A错误;干簧管是能够感知磁场的传感器,故B错误;霍尔元件是能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量,故C正确;电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转化为电动势这个电学量,故D错误。故选C。2.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置,其工作原理图如图甲所示,将压敏电阻固定在升降机底板上,其上放置一个物块,在升降机运动的过程中,电流表示数如图乙所示,已知升降机静止时电流表的示数I1。下列判断正确的是()A.从0到t1时间内,升降机一定静止B.从t1到t2时间内,升降机可能做匀加速直线运动C.从t1到t2时间内,升降机运动时的加速度在变化D.从t2到t3时间内,升降机可能向下匀加速运动【解析】选C。从0～t1时间内,电流不变,可知电路中的总阻值不变,升降机可能静止也可能匀速运动,故A错误;t1到t2时间内,电流增大,电阻减小,根据压敏电阻的阻值变化特点可知压力增大,静止时FN=mg,t1到t2时间内根据牛顿第二定律FN-mg=ma,合力向上,加速度向上,且FN增大,可能向上做加速度增大的加速运动或向下做加速度增加的减速运动,故B错误,C正确;t2到t3时间内电流不变,电阻不变,压力不变,电流大于静止时的电流,压力大于静止时的压力,对物块受力分析,受到重力和支持力,根据牛顿第二定律FN-mg=ma,合力向上,加速度向上,且FN不变,故加速度不变,所以t2到t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降,故D错误。所以C正确,A、B、D错误。故选C。【补偿训练】1.主持节目、演唱常用到话筒,其中有一种动圈式话筒,其工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号,下列说法中正确的是()A.该传感器是根据电流的磁效应工作的B.该传感器是根据电磁感应原理工作的C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量保持不变D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电流【解析】选B。当声波使膜片前后振动时,线圈切割磁感线产生感应电流,将声音信号转变为电信号,是根据电磁感应原理工作的,A错误,B正确;膜片随着声波而周期性振动,穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的,C错误;膜片振动时,金属线圈切割磁感线,会产生感应电动势,但其大小会变化,D错误。故选B。2.拥有多名长江学者的天津大学自动化与信息工程学院,为全国传感器类生产企业输送了众多人才。传感器指的是能将感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量量(一般是电学量)的一种元件,在自动控制中有相当广泛的应用,如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器,从电容C大小的变化情况就能反应出液面高度h的高低情况,则下列说法正确的是()A.C增大表示h增大B.C增大表示h减小C.金属芯线与电介质构成一个电容器D.图中液体可以不是导电液体【解析】选A。此传感器是由金属芯线与液体构成一个电容器,其中的液体是电容器的一个极,则此液体必须是导电液体,选项C、D错误;当电容C增大时,根据电容的决定式C=分析正对面积应增大,则知液面高度h增大。当电容C减小时,则液面高度减小,故A正确,B错误。故选A。rS4kd二对敏感元件的认识考查角度1对光敏电阻的认识【典例1】(多选)光敏电阻自动计数器的示意图如图所示,图中虚线表示激光,圆柱体表示随传送带运动的货物,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世纪金榜导学号()A.当光照射R1时,信号处理系统获得高电压B.当光照射R1时,信号处理系统获得低电压C.信号处理系统每获一次低电压就计数一次D.信号处理系统每获一次高电压就计数一次【正确解答】选B、D。当有光照射R1时,R1的电阻减小,则整个电路总电阻变小,电动势不变,则电流增大,则R2两端的电压增大,所以R1两端的电压减小,即信号处理系统获得低电压,故A错误,B正确;当无光照射R1时,R1的电阻增大,则整个电路总电阻变大,电动势不变,则电流减小,则R2两端的电压减小,所以R1两端的电压增大,即信号处理系统获得高电压,则信号处理系统每获得一次高电压就计数一次,所以C错误,D正确。故选B、D。【核心归纳】光敏电阻:光敏电阻一般由半导体材料制成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强。光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小。考查角度2对热敏电阻和金属热电阻的认识【典例2】热敏电阻能将热信号转换为电信号是因为()世纪金榜导学号A.电阻阻值的大小随热量的变化而变化B.电阻阻值的大小随温度的变化而变化C.电阻体积的大小随热量的变化而变化D.电阻体积的大小随温度的变化而变化【正确解答】选B。热敏电阻随温度的升高其电阻值减小,随温度的降低其电阻值增大,可见温度变化,电阻变化,接入电路中的电流,电压变化,故应选B。【核心归纳】热敏电阻和金属热电阻的特点:(1)热敏电阻:指用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图线①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。(2)金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线②所示,这样的电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻或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,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好。考查角度3对霍尔元件的认识【典例3】如图所示,截面为矩形的金属导体,放在磁场中,当导体中通有电流时,导体的上下表面的电势有什么关系世纪金榜导学号()A.UMUNB.UM=UNC.UMUND.无法判断【正确解答】选A。电流向右,电子向左运动,根据左手定则可得到,电子受到的洛伦兹力的方向是向下的,所以N板上聚集了电子,M板就出现正电荷,所以M点的电势高于N点的电势,故A正确,B、C、D错误。故选A。【核心归纳】霍尔元件:(1)电场的产生:运动的载流子在洛伦兹力作用下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。(2)电压的形成:横向电场对载流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,导体板两侧会形成稳定的电压,UH=UH与B成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。kIBd。【过关训练】1.街道旁的路灯利用半导体的电学特性制成了白天自动熄灭,夜晚自动点亮的装置,该装置的工作原理是应用了半导体的()A.热敏性B.压敏性C.光敏性D.三个特性同时应用【解析】选C。灯要求夜晚亮、白天熄。则白天有光,黑夜没有光,则是由光导致电路的电流变化,所以电路中光传感器导致电阻变化,实现自动控制,因此是利用半导体的光敏性。故C正确,A、B、D错误。故选C。2.(多选)如图所示,电源内阻不可忽略,R1为半导体热敏电阻,R2为锰铜合金制成的可变电阻,当发现灯泡L的亮度逐渐变暗时,可能的原因是()A.R1的温度逐渐降低B.R1的温度逐渐升高C.R2的阻值逐渐增大D.R2的阻值逐渐减小【解析】选A、D。灯泡L的亮度逐渐变暗,原因是灯泡中电流逐渐减小。当R1的阻值逐渐增大,即R1的温度逐渐降低时,灯泡中的电流逐渐减小,选项A正确,B项错误;由于电源内阻不可忽略,当R2的阻值逐渐减小时电源输出电流增大,电源两端电压减小,导致流过灯泡的电流逐渐减小,选项D正确,C错误。故选A、D。3.(多选)霍尔式位移传感器的测量原理如图所示,有一个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场,磁感应强度B=B0+kz(B0、k均为常数)。将霍尔元件固定在物体上,保持通过霍尔元件的电流I不变(方向如图所示),当物体沿z轴正方向平移时,由于位置不同,霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。则()A.磁感应强度B越大,上、下表面的电势差U越大B.k越大,传感器灵敏度越高C.若图中霍尔元件是电子导电,则下板电势高D