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第六章传感器第1节传感器及其工作原理学习目标1．知道什么是传感器，并了解其分类．2．了解非电学量转换为电学量的意义．3．理解常见敏感元件的工作原理．4．了解传感器在生活中的应用．填一填、做一做、记一记课前自主导学|基础知识·填一填|一、传感器1．定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等1量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等2量，或转换为电路的3的元件．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4、传输、处理和5．非电学电学通断测量控制二、光敏电阻1．特点：光照越强，电阻6．2．原理：无光照时，载流子少，导电性能7；随着光照的增强，载流子8，导电性9．3．作用：把10这个光学量转换为11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12电阻率随温度的升高而13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14作用将15这个热学量转换为16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＝17.3．作用：把18这个磁学量转换为19这个电学量．kIBd磁感应强度电压|基础小题·做一做|1．正误判断(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的．()(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件．()(3)传感器只能感受温度和光两个物理量．()(4)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大．()(5)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．()(6)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比．()××××√√2．(多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以()A．将力学量(如形变量)转变成电学量B．将热学量转变成电学量C．将光学量转变成电学量D．将电学量转变成力学量解析：选ABC传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，选项D错．3．数码相机的普及逐渐淘汰了传统胶片相机．数码相机的主要部件是电荷耦合器(CCD)，能将光学量转化为电学量．该部件可看做一种()A．力传感器B．温度传感器C．光传感器D．霍尔元件解析：选C因为CCD能把光学量转化为电学量，因而是一种光传感器．4．为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器是什么传感器，它的输入、输出信号各是什么？提示：这种传感器是声电传感器，它输入的是声信号，输出的是电信号．|核心知识·记一记|1．传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．4．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．析要点、研典例、重应用课堂互动探究★要点一对传感器的认识|要点梳理|1．传感器的组成和工作流程(1)传感器的组成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．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)传感器的工作流程非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量2.传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作．|例题展示|【例1】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的．如图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的Rt图线所示，闭合开关，当R的温度等于120℃时，电流表示数I1＝3mA，求：(1)电流表G的内阻Rg；(2)当电流表的示数I2＝1.8mA时，热敏电阻R的温度．[解析](1)由图乙知热敏电阻R的温度在120℃时，电阻为2kΩ，闭合电路的电流为I1＝3mA根据闭合电路欧姆定律得Rg＝EI1－R＝93×10－3－2×103Ω＝1000Ω.(2)当电流表的示数I2＝1.8mA时R＝EI2－Rg＝91.8×10－3－1×103Ω＝4000Ω由图乙可知当热敏电阻R阻值为4000Ω时的温度为20℃.[答案](1)1000Ω(2)20℃|对点训练|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．以上说法都不正确解析：选B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．传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的应该是“非电学信号”，故只有B正确．2．(多选)如图所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化．关于干簧管，下列说法正确的是()A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的C．干簧管接入电路中相当于开关的作用D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的解析：选CD干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的，故C、D正确．3．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，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．光线解析：选D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，红外线属于不可见光，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D正确．★要点二对敏感元件特性的理解|要点梳理|1．光敏电阻的导电特性：光敏电阻一般由半导体材料做成，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．2．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．3．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＝kIBd.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．|例题展示|【例2】如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断()A．θ′＝θB．θ′θC．θ′θD．不能确定[解析]光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡左侧阻值大，右侧阻值小的特点知，指针右偏，且指针自左向右的偏转角度变小．故选B.[答案]B【例3】(多选)如图是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的值．实验中观察到当温度升高时灯更亮．对实验现象分析正确的有()A．温度升高，电路中的电流减小B．温度升高，电路中的电流增大C．温度升高，热敏电阻的阻值增大D．温度升高，热敏电阻的阻值减小[解析]热敏电阻随温度的升高，电阻值变小，根据闭合电路欧姆定律可知，温度升高，电路中的电流增大，A、C选项错误，B、D选项正确．[答案]BD【例4】如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为h，有一磁感应强度为B的匀强磁场，垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？[解析]因为载流子是自由电子，根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向(即电流方向)，拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，则上表面积累负电荷，下表面就出现等量的正电荷，即下表面的电势高．当电场力与洛伦兹力平衡时，上、下表面的电压稳定，即eE场＝eUh＝evB又导体中的电流I＝nevs＝nevhd，可求得U＝IBned[答案]下表面的电势高IBned[规律方法](1)解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时，首先要明确两种元件阻值大小的变化规律，然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况．(2)在霍尔现象中要明确定向移动的电荷是哪种电荷，才能分清电势的高低，负电荷向某一方向定向移动与正电荷向相反方向定向移动不等效．|对点训练|1．(多选)对负温度系数的热敏电阻，正确的叙述是()A．受热后，电阻随温度的升高而迅速减小B．受热后，电阻基本不变C．热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高D．以上说法都不对解析：选AC负温度系数的热敏电阻随温度的升高其电阻减小，热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高．2．霍尔元件能转换哪两个量()A．把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B．把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量C．把力转换为电压这个电学量D．把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量解析：选B霍尔电压U＝kIBd，它是把磁感应强度这个非电学量转换为电压这个电学量，故B正确．3．(多选)数码相机和数码摄像机在人们生活中的应用越来越普及．在数码摄像器材中，使用了一种新型的敏感元件，叫电荷耦合器(CCD)，下列关于CCD的说法正确的是()A．它能将光信号转换成模拟电信号B．它能将模拟电信号转换为数字电信号C．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件D．它是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个热敏元件解析：选ACCCD是一种硅半导体芯片，上面布有数百万个光敏元件，每个光敏元件都把它所受到的光转换成相应量的电荷，于是整块CCD就把一幅图象的光信号转换成相应的模拟电信号，然后再通过A/D转换器转换为数字信号，以便于计算机处理，故选项A、C正确．★要点三电容式传感器|要点梳理|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．2．常见电容式传感器名称传感器原理测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况名称传感器原理测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况测定位移x的电容式传感器