6.1 传感器及其工作原理(人教高中选修3-2)
文档属性
| 名称 | 6.1 传感器及其工作原理(人教高中选修3-2) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 680.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2012-10-25 16:48:48 | ||
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文档简介
课件49张PPT。1．知道什么是传感器，了解非电学量转
化为电学量的意义。
2．通过实验理解常见的敏感元件的工作
原理。
3．了解传感器在生活中的应用。 1．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 、传输、处理和 。［读教材·填要点］物理电学测量控制 2．光敏电阻
(1)特点：在被光照时 发生变化。
(2)原因：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子 ，导电性变好。
(3)作用：把 这个光学量转换为 这个电学量。电阻增多光照强弱电阻3．热敏电阻和金属热电阻减小增大金属温度电阻 [关键一点] 热敏电阻和金属热电阻的制作材料不同，其电阻值随温度变化的规律也不相同。 4．霍尔元件
(1)构造：
如图6－1－1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。图6－1－1 (2)工作原理：
在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 的方向漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH。垂直薄片霍尔磁感应强度电压［试身手·夯基础］1．(2011·江苏高考)美国科学家 Willard S· Boyle 与 George
E·Smith 因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获 2009 年度诺贝尔物理学奖。CCD 是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有 ( )
A．发光二极管 B．热敏电阻
C．霍尔元件 D．干电池解析：传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件。发光二极管是电学元件，是电能转换成光能的元件，不是传感器，A错误；干电池是一种电源，不是传感器，D错误；热敏电阻受热时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，是传感器，B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，是传感器，C正确。
答案： BC2．下列说法不正确的是 ( )
A．传感器担负着信息采集的任务
B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器
C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为
电信号的主要工具.解析：传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成
的，它靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对。
答案： C3．关于光敏电阻，下列说法不正确的是 ( )
A．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
B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子
极少，导电性能不好
C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子
较少，导电性能良好
D．半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子
增多，导电性能变好.解析：对光敏电阻，光照强度变化时，电阻值随之变化，A对；对半导体材料的硫化镉，无光照射时载流子极少，导电性能差，光照增强时，载流子明显增多，导电性能变好，B、D对，C错。
答案： C4．关于霍尔元件，下列说法正确的是 ( )
A．把温度这个热学量转化为电阻这个电学量
B．把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量
C．把力这个力学量转化为电压这个电学量
D．把光照这个光学量转化为电阻这个电学量解析：霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转化为其两表面电压这个电学量的，故B正确。
答案： B 1．传感器的工作原理
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。 → → →非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量→ 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。
转换电路：是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．传感器的分类
(1)光电传感器——光敏电阻
光敏电阻一般为半导体材料做成，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。
光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小。 (2)温度传感器 ：热敏电阻和金属热电阻。
①热敏电阻：指用半导体材料制成，其电
阻值随温度的变化非常明显。如图6－1－2所 图6－1－2
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，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如铂电阻温度计。
③二者的区别与联系：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。相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差，而热敏电阻的灵敏度较好。 [名师点睛] 按热敏电阻随温度变化的规律，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，正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。 1.如图6－1－3所示，R1、R2为定值
电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照
射光强度增大时 ( )
A．电压表的示数增大 图6－1－3
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 [思路点拨] 解决此类题首先要判断光敏电阻阻值的变化，然后再根据闭合电路欧姆定律及部分电路欧姆定律，从局部→整体→局部的观点分析各物理量变化即可。 [解析] 当照射光强度增大时，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，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，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，则小灯泡的功率增大，C项正确。故选A、B、C。
[答案] ABC 先根据敏感元件的特性确定电阻阻值大小的变化规律，再应用闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律分析各物理量的变化。 1．原理：电容器的电容C决定于极板正对面积S、板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，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个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称为电容式传感器。 2．用途：如图6－1－4(1)所示是用来测定角度θ的电容式传感器。图6－1－4 如图6－1－4(2)所示是测定液面高度h的电容式传感器。液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化。
如图6－1－4(3)所示是测定压力F的电容式传感器。压力变化，d发生变化，引起电容的变化。
如图6－1－4(4)所示是测定位移x的电容式传感器。由图可以看出随着电介质进入极板间长度的变化电容C也变化，从而推知x的变化情况。 2.如图6－1－5所示的电容式话筒
就是一种电容式传感器，其原理是：
导电性振动膜片与固定电极构成了一
个电容器，当振动膜片在声压的作用
下振动时，两个电极之间的电容发生 图6－1－5
变化，电路中电流随之变化，这样声音信号就变成了电信号。则当振动膜片向右振动时 ( )A．电容器电容值增大
B．电容器所带电荷量减小
C．电容器两极板间的场强增大
D．电阻R上电流方向自左向右[思路点拨] 解答本题时应注意以下两点：
(1)膜片与固定电极间距和电容器电容大小的关系。
(2)电容器充放电电流方向的确定。[答案] AC 分析这类问题，关键是明确影响电容器电容的是哪几个因素。如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h、压力F等)的变化能引起电容的变化，那么通过测定电容器的电容就可以确定该物理量的变化。 (1)设半导体薄片的宽度(c、f间距)为l，请写出UH和EH的关系式；若半导体材料是电子导电的，请判断图中c、f哪端的电势高。
(2)已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e，请导出霍尔系数RH的表达式。(通过横截面积S的电流I＝nevS，其中v是导电电子定向移动的平均速率)图6－1－6[思路点拨] 解答本题时应注意以下两点：
(1)电子所受的洛伦兹力使电子发生偏转。
(2)当电压稳定时，电子所受的洛伦兹力与电场力平衡。 霍尔元件的前、后两个侧面之间会形成电场，电场的方向可根据自由电荷偏转的方向来判断。点击此图片进入“随堂检测 归纳小结” 1．传感器是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量并能把它们按照一定规律转换为便于传送和处理的另一个物理量或电路通断的一类元件。
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；热敏电阻和金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
3．电容式传感器是通过改变电容器的极板正对面积、极板间距、极板间介质等因素来改变电容的。点击此图片进入“课下作业 综合提升”
化为电学量的意义。
2．通过实验理解常见的敏感元件的工作
原理。
3．了解传感器在生活中的应用。 1．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 、传输、处理和 。［读教材·填要点］物理电学测量控制 2．光敏电阻
(1)特点：在被光照时 发生变化。
(2)原因：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子 ，导电性变好。
(3)作用：把 这个光学量转换为 这个电学量。电阻增多光照强弱电阻3．热敏电阻和金属热电阻减小增大金属温度电阻 [关键一点] 热敏电阻和金属热电阻的制作材料不同，其电阻值随温度变化的规律也不相同。 4．霍尔元件
(1)构造：
如图6－1－1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。图6－1－1 (2)工作原理：
在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 的方向漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH。垂直薄片霍尔磁感应强度电压［试身手·夯基础］1．(2011·江苏高考)美国科学家 Willard S· Boyle 与 George
E·Smith 因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获 2009 年度诺贝尔物理学奖。CCD 是将光学量转变成电学量的传感器。下列器件可作为传感器的有 ( )
A．发光二极管 B．热敏电阻
C．霍尔元件 D．干电池解析：传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件。发光二极管是电学元件，是电能转换成光能的元件，不是传感器，A错误；干电池是一种电源，不是传感器，D错误；热敏电阻受热时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，是传感器，B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，是传感器，C正确。
答案： BC2．下列说法不正确的是 ( )
A．传感器担负着信息采集的任务
B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器
C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为
电信号的主要工具.解析：传感器的任务就是采集信息，A对；干簧管的主要构造是由平行不接触的两个极易被磁化的软铁片组成
的，它靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，B对；由传感器的定义知D对。
答案： C3．关于光敏电阻，下列说法不正确的是 ( )
A．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
B．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子
极少，导电性能不好
C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子
较少，导电性能良好
D．半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子
增多，导电性能变好.解析：对光敏电阻，光照强度变化时，电阻值随之变化，A对；对半导体材料的硫化镉，无光照射时载流子极少，导电性能差，光照增强时，载流子明显增多，导电性能变好，B、D对，C错。
答案： C4．关于霍尔元件，下列说法正确的是 ( )
A．把温度这个热学量转化为电阻这个电学量
B．把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量
C．把力这个力学量转化为电压这个电学量
D．把光照这个光学量转化为电阻这个电学量解析：霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转化为其两表面电压这个电学量的，故B正确。
答案： B 1．传感器的工作原理
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。 → → →非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量→ 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。
转换电路：是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．传感器的分类
(1)光电传感器——光敏电阻
光敏电阻一般为半导体材料做成，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。
光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小。 (2)温度传感器 ：热敏电阻和金属热电阻。
①热敏电阻：指用半导体材料制成，其电
阻值随温度的变化非常明显。如图6－1－2所 图6－1－2
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，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如铂电阻温度计。
③二者的区别与联系：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。相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差，而热敏电阻的灵敏度较好。 [名师点睛] 按热敏电阻随温度变化的规律，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，正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。 1.如图6－1－3所示，R1、R2为定值
电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照
射光强度增大时 ( )
A．电压表的示数增大 图6－1－3
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 [思路点拨] 解决此类题首先要判断光敏电阻阻值的变化，然后再根据闭合电路欧姆定律及部分电路欧姆定律，从局部→整体→局部的观点分析各物理量变化即可。 [解析] 当照射光强度增大时，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，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，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，则小灯泡的功率增大，C项正确。故选A、B、C。
[答案] ABC 先根据敏感元件的特性确定电阻阻值大小的变化规律，再应用闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律分析各物理量的变化。 1．原理：电容器的电容C决定于极板正对面积S、板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，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个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称为电容式传感器。 2．用途：如图6－1－4(1)所示是用来测定角度θ的电容式传感器。图6－1－4 如图6－1－4(2)所示是测定液面高度h的电容式传感器。液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化。
如图6－1－4(3)所示是测定压力F的电容式传感器。压力变化，d发生变化，引起电容的变化。
如图6－1－4(4)所示是测定位移x的电容式传感器。由图可以看出随着电介质进入极板间长度的变化电容C也变化，从而推知x的变化情况。 2.如图6－1－5所示的电容式话筒
就是一种电容式传感器，其原理是：
导电性振动膜片与固定电极构成了一
个电容器，当振动膜片在声压的作用
下振动时，两个电极之间的电容发生 图6－1－5
变化，电路中电流随之变化，这样声音信号就变成了电信号。则当振动膜片向右振动时 ( )A．电容器电容值增大
B．电容器所带电荷量减小
C．电容器两极板间的场强增大
D．电阻R上电流方向自左向右[思路点拨] 解答本题时应注意以下两点：
(1)膜片与固定电极间距和电容器电容大小的关系。
(2)电容器充放电电流方向的确定。[答案] AC 分析这类问题，关键是明确影响电容器电容的是哪几个因素。如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h、压力F等)的变化能引起电容的变化，那么通过测定电容器的电容就可以确定该物理量的变化。 (1)设半导体薄片的宽度(c、f间距)为l，请写出UH和EH的关系式；若半导体材料是电子导电的，请判断图中c、f哪端的电势高。
(2)已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e，请导出霍尔系数RH的表达式。(通过横截面积S的电流I＝nevS，其中v是导电电子定向移动的平均速率)图6－1－6[思路点拨] 解答本题时应注意以下两点：
(1)电子所受的洛伦兹力使电子发生偏转。
(2)当电压稳定时，电子所受的洛伦兹力与电场力平衡。 霍尔元件的前、后两个侧面之间会形成电场，电场的方向可根据自由电荷偏转的方向来判断。点击此图片进入“随堂检测 归纳小结” 1．传感器是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量并能把它们按照一定规律转换为便于传送和处理的另一个物理量或电路通断的一类元件。
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；热敏电阻和金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
3．电容式传感器是通过改变电容器的极板正对面积、极板间距、极板间介质等因素来改变电容的。点击此图片进入“课下作业 综合提升”