高中物理 第六章 传感器 第1节 传感器及其工作原理(含解析)2

第1节传感器及其工作原理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．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。

5．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。

一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，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、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。

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，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。

二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。

2．原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。

2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。

四、霍尔元件1．霍尔元件如图所示，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 ，它就成为一个霍尔元件。

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U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。

(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。

1．自主思考——判一判(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．合作探究——议一议(1)为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？提示：电学量具有易测量，易控制，测量精度和速度较高，易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。

特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。

(2)光敏电阻和热敏电阻的特性成因相同吗？提示：不相同。

半导体材料受到的光照增强时，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，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是光敏电阻的特性成因。

对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电能力明显地增强，电阻减小，这是热敏电阻的特性成因。

(3)霍尔元件的成因是什么？提示：外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，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。

传感器的工作原理1(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。

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。

光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件元件特点光敏电阻半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小热敏电阻对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小霍尔元件霍尔元件两极间通入恒定的电流，同时外加与薄片垂直的磁场B时，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漂移，在另两极上形成电压R2(阻值随温度的升高而减小)制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器。

当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( ) A．I变大、U变大B．I变小、U变小C．I变小、U变大D．I变大、U变小[思路点拨] 解答本题时可按以下思路分析：[解析] 当R 2处出现火情时，热敏电阻的阻值将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，路端电压将减小，电路中的总电流增大，所以R 1两端的电压增大，由于路端电压减小，则并联部分的电压减小，通过R 3的电流I 变小，所以显示器的电流I 变小，报警器的电压U 变小，故选B 。

[答案] B含有热敏电阻的电路的动态分析顺序1.[多选]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的一定是热敏电阻B ．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻C ．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻D ．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻解析：选AC 热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A 正确，B 错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C 正确，D 错误。

2.[多选]如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I 由正电荷的定向运动形成。

下列说法正确的是( )A ．M 点电势比N 点电势高B ．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度C ．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量D ．若保持电流I 恒定，则霍尔电压U H 与B 成正比解析：选BCD 当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N 极聚集，M 极感应出等量的负电荷，所以M 点电势比N 点电势低，选项A 错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B 、C 正确；因霍尔电压U H ＝k IB d，保持电流I 恒定时，霍尔电压U H 与B 成正比，选项D 正确。

3．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 ＝9.0 V ，内电阻可忽略不计；G 为灵敏电流表，内阻R g 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R ­t 图线所示，闭合开关，当R 的温度等于120 ℃时，电流表示数I 1＝3 mA ，求：(1)电流表G的内阻R g。

(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时，热敏电阻R的温度。

解析：(1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时，电阻为2 kΩ，闭合电路的电流为I1＝3 mA根据闭合电路欧姆定律得：R g＝EI 1－R＝⎝⎛⎭⎪⎫93×10－3－2×103Ω＝1 000 Ω。

(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时R＝EI2－R g＝⎝⎛⎭⎪⎫91.8×10－3－1×103Ω＝4 000 Ω由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 Ω时的温度为20 ℃答案：(1)1 000 Ω(2)20 ℃电容式传感器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的电容式传感器随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C 的变化，就可以知道x的变化情况在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不动D．向左偏到某一刻度后不动[思路点拨] 根据电容的公式C＝εr S4πkd 和C＝QU，按以下思路进行分析。