课件49张PPT。第六章 传 感 器
1 传感器及其工作原理1.电阻率：表示材料_________的物理量。
（1）金属的电阻率随温度的升高而_____。
（2）半导体材料的电阻率随温度的升高而_____。
2.使用多用电表时，应将_______插入正插孔，_______插入负
插孔。
3.用多用电表测电阻时，应将选择开关旋至_______，且使指
针指在表盘的_________。
4.平行板电容器的电容的决定式C=_________。导电性能增大减小红表笔黑表笔欧姆挡中间附近一、传感器
1.定义：能够感受力、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。
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、处理和控制。非电学电学通断测量二、光敏电阻
1.特点：光照越强，电阻_____。
2.原理：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，_______变好。
3.作用：把_________这个光学量转换为_____这个电学量。越小导电性光照强弱电阻三、热敏电阻和金属热电阻减小增大稳定性好温度电阻四、霍尔元件
1.构造：很小的矩形_______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______，
则M、N间出现霍尔电压UH，UH=______。
3.作用：把___________这个磁学量转
换为电压这个电学量。半导体磁场B磁感应强度【思考辨析】
1.判断正误：
(1)传感器可以把非电学量转换为电学量。( )
(2)有光照射时，光敏电阻的阻值变大。( )
(3)热敏电阻在温度升高时阻值变小。( )
(4)金属热电阻在温度升高时阻值变小。( )
(5)霍尔元件能够把磁学量转换为电学量。( )提示：(1)√。传感器可以把非电学量转换为电学量。
(2)×。有光照射时，光敏电阻的阻值变小。
(3)√。热敏电阻在温度升高时阻值变小。
(4)×。金属热电阻在温度升高时阻值变大。
(5)√。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.问题思考：
(1)火灾探测器的核心元件为气敏传感器，
当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可
以触发报警，并对外发出声光报警信号。
此时传感器是将什么量进行转换的？
提示：传感器是将烟雾产生的光学量转换
为电路的接通，从而对外发出声光报警信号。(2)热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小？
提示：不是。正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小。一 对传感器的认识
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。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。【特别提醒】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换为电学量的；
(3)是如何显示或控制开关的。【典例1】(2013·雅安高二检测)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升降机运动状态的装置，其工作原理如图所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发现电流表的示数I不变，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，在这段时间内( )
A.升降机可能匀减速下降
B.升降机一定匀减速下降
C.升降机可能匀加速下降
D.升降机一定匀加速下降【解题探究】(1)压敏电阻的阻值随压力如何变化？
提示：压敏电阻的阻值随压力的增大而减小。
(2)压敏电阻与电流表如何连接？
提示：电流表、电阻R串联后再与压敏电阻并联。【标准解答】选C。设升降机匀加速下降，则重力mg大于压力
FN，即压力FN变小，压敏电阻阻值变大，R总增大，由I总=
知I总变小，知U外=E-I总r变大，电流表读数变大，升降机也可
能匀减速上升，故A、B、D错误，C正确。【总结提升】传感器问题的分析思路
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转变为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。【变式训练】(多选)(2013·宿迁高二检测)如图所示，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
B.R2中电流强度增大
C.小灯泡的功率增大
D.电源的路端电压降低【解析】选A、C、D。当照射光强度增大时，R3的阻值变小，则电压表示数增大。R2中的电流减小，小灯泡的功率增大。电源的路端电压降低，故A、C、D正确。【变式备选】(2013·吉林高二检测)传感器是把非电学量(如温度、速度、压力等)的变化转换为电学量变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。如图是一种测量液面高度h的电容式传感器的示意图。电容C大小的变化就能反映液面的升降情况。关于两者关系的说法中正确的是( )
A.C增大表示h减小
B.C减小表示h增大
C.C减小表示h减小
D.C的变化与h变化无直接关系【解析】选C。C增大表示电容器的正对面积变大，h增大，C减小表示h减小，故C正确。二 传感器元件的不同特性
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：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；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。【特别提醒】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。【典例2】(多选)(2013·绵阳高二检测)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器。当环境温度降低时( )
A.电容器C的带电量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大【解题探究】(1)环境温度降低时，热敏电阻的阻值_____。
(2)电容器两端的电压等于哪个元件两端的电压？
提示：电容器两端的电压等于R2两端的电压。变大【标准解答】选A、B。当环境温度降低时，R2变大，电路的总
电阻变大，由I= 知I变小，又U=E-Ir，电压表的读数U增
大，B正确；又由U1=IR1及P1=I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1
变小，D错误；电容器两板间的电压U2=U-U1，U2变大，由场强
E′= Q=CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误。【变式训练】(多选)如图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)( )
A.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】选A、B、D。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；改变磁感线与霍尔元
件工作面的夹角，B垂直工作面的大小发生变化，UH将发生变
化，选项D正确。【典例】传感器可将非电学量转换为电学量，起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器。如图是演示位移传感器的工作原理图，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的滑动触头滑动，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是( )A.物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时，电路中没有电流
D.物体M不动时，电压表没有示数
【标准解答】选B。由于电压表是理想的，因此滑片P移动时，不改变闭合电路的电阻，电源内的电流不发生变化，即电流恒定，A、C错误；物体M运动时，电压表所测电压是变化的，M不动时，电压表示数恒定，B正确，D错误。传感器原理的辨析
本节课的重点是物理知识在传感器中的应用，而不是研究传感器的技术问题，所以理解传感器的原理是解题的关键，在理解传感器的原理时要注意以下三点：
第一，明确传感器所采用的核心部分是什么。
第二，传感器的输入量是什么。
第三，传感器的输出量是什么。【案例展示】
如图所示的电路可将声音信号转换为电
信号，该电路中右侧固定不动的金属板
b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀
有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、
b通过导线与恒定电源两极相接。若声源S做简谐运动，
则( )
A.a振动过程中，a、b板间的电场强度不变
B.a振动过程中，a、b板所带电荷量不变
C.a振动过程中，灵敏电流计中始终有方向不变的电流
D.a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大【标准解答】选D。由于平行板电容器两极板与电池两极相连
接，因此两极板间的电压U保持不变，根据场强
可判断A错、D对。再由Q=CU可知，B错。由于Q变化，使电容器
出现充电、放电现象，显然电流计中电流方向不断变化，C
错。【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下：1.(多选)(基础理论辨析题)关于传感器的原理，下列说法中正确的是( )
A.传感器的作用是把电学量转换为非电学量
B.光敏电阻随着光照的增强，导电性变好
C.热敏电阻能够把热学量转换为电学量
D.金属热电阻和热敏电阻在温度升高时电阻值都变大
E.霍尔元件通入恒定电流，会在和外加磁场相同的方向上形成电压【解析】选B、C。传感器的作用是把非电学量转换为电学量，A错。光敏电阻随光照的增强，导电性变好，B正确。热敏电阻能够把热学量转化为电学量，C正确。负温度系数的热敏电阻随温度的升高电阻值变小，D错误。霍尔元件形成的电压和磁场方向是垂直的，E错误。2.(2013·漳州高二检测)传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是( )A.温度传感器 B.压力传感器
C.磁传感器 D.光传感器
【解析】选B。计算机键盘被按下时，电容发生变化，故使用的是压力传感器，B正确。3.(2013·广州高二检测)街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，实现了自动控制，这是利用半导体的( )
A.压敏性 B.光敏性
C.热敏性 D.三种特性都利用
【解析】选B。街旁的路灯和江海里的航标，都是利用了半导体的光敏性，夜晚电阻大，白天电阻小，控制了电路的通断。故选项B正确。4.关于光敏电阻，下列说法正确的是( )
A.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻的大小这个电学量
B.硫化镉是一种半导体材料，光照很强时，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，载流子较多，导电性能较好
D.半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子减少，导电性能变差【解析】选A。光敏电阻的导电性能看载流子的多少，无光照射时，载流子极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增加，导电性能变好，所以选项A正确，B、C、D错。5.如图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。当油箱中油量减少时，电压表的示数将如何变化？【解析】由题图可知，当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R′两端电压的变化。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。
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课时提升卷（十二）
传感器及其工作原理
（40分钟 50分）
一、选择题（本题共6小题，每小题5分，共30分）
1.某种材料具有电阻率随温度变化的特性，利用这种材料可以制成（ ）
A.热敏电阻 B.光敏电阻 C.电容器 D.电感器
2.传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是（ ）
A.将力学量（如形变量）转换成磁学量
B.将电学量转换成热学量
C.将光学量转换成电学量
D.将电学量转换成力学量
3.全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位自动感应装置采用的传感器是（ ）
A.温度传感器 B.压力传感器
C.生物传感器 D.红外线传感器
4.（2013·成都高二检测）酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测。它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻。这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是（ ）
A.U越大，表示C越大，C与U成正比
B.U越大，表示C越大，但是C与U不成正比
C.U越大，表示C越小，C与U成正比
D.U越大，表示C越小，但是C与U不成反比
5.（多选）（2013·咸阳高二检测）压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，其装置示意图如图所示，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示，下列判断中正确的是（ ）
A.甲图表示电梯可能做匀速直线运动
B.乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C.丙图表示电梯可能做匀加速上升运动
D.丁图表示电梯可能做匀减速下降运动
6.（多选）传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么以下说法正确的是（ ）
A.当F向上压膜片电极时，电容将减小
B.若电流计有示数，则压力F发生变化
C.若电流计有向右的电流通过，则压力F在增大
D.若电流计有向右的电流通过，则压力F在减小
二、非选择题（本题共2小题，共20分。需写出规范的解题步骤）
7.（6分）如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往RT上擦一些酒精，表针将向 （选填“左”或“右”）移动；若用电吹风机将热风吹向电阻，表针将向 （选填“左”或“右”）移动。（负温度系数指温度升高电阻减小）
8.（14分）（能力挑战题）一块N型半导体薄片（称霍尔元件），其横截面为矩形，体积为b×c×d，如图所示。已知其单位体积内的电子数为n、电阻率为ρ、电子电荷量为e。将此元件放在匀强磁场中，磁场方向沿z轴方向，并通有沿x轴方向的电流I。
（1）此元件的C、C′两个侧面中，哪个面电势高？
（2）试证明在磁感应强度一定时，此元件的C、C′两个侧面的电势差与其中的电流成正比。
（3）磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B的仪器。其测量方法为：将导体放在匀强磁场中，用毫安表测量通过的电流I，用毫伏表测量C、C′间的电压UC C′，就可测得B。若已知其霍尔系数k==10mV/mA·T。并测得UC C′=0.6mV，I=3mA。试求该元件所在处的磁感应强度B的大小。
答案解析
1.【解析】选A。题干中给出的信息是电阻率随温度变化，而温度属于热学量，故可以制成热敏电阻，A项正确。
2.【解析】选C。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，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或转换为控制电路的通断的一类元件；故只有C项正确。
【总结提升】传感器的作用
传感器的重要作用是将非电学量转换为电学量，主要原因是电学量容易处理、容易控制，故传感器的工作过程为将其他非电学量转换为电学量。
3.【解析】选B。水位不同，压力不同，压力传感器能将压力信号转换为电信号，B正确。
4.【解析】选B。传感器电阻r′的倒数与浓度C成正比关系，即=kC，电路中的电流为I=，电压表示数U=IR0==，可见电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增加而增加，故B正确。
5.【解析】选A、B。甲图中电流表示数和静止时相等，故可能做匀速直线运动，A正确。乙图中电流表示数为2I0，且保持不变，故压敏电阻所受压力增大，电阻变小，物体超重，电梯可能匀加速上升，B正确。丙、丁图中电流表的示数随时间变化，故电梯的加速度是变化的，不可能是匀加速或匀减速，C、D错误。
6.【解析】选B、C。向上压膜片电极时，距离d减小，电容增大，A错误。当电流计有示数时，表示电容器的电荷量发生变化，根据公式Q=CU，即电容发生变化，压力F发生变化，B正确。若电流计有向右的电流通过，电容器充电，电容增大，则压力F在增大，故选项C正确，D错误。
【变式备选】如图所示是一个电容式传感器，在金属线a的外面涂一层绝缘的电介质后放在导电液体中构成一个电容器，a与导电液体就是该电容器的两极。今使该电容器充电后与电源断开，并将a与静电计的导体球相连，插入导电液体中的电极b与静电计外壳相连，则当导电液体深度h变大时（ ）
A.引起两极间正对面积变大
B.电容器的电容将变小
C.电容器两极间的电压将变大
D.以上说法都不正确
【解析】选A。当导电液体深度h变大时，相当于电容器的两极板的正对面积变大，由C=知，电容C变大，而电容器充电后与电源断开，所以电容器所带电荷量Q不变，由U=知，电容器两极间的电压将变小，故A正确。
7.【解析】若往RT上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，所以指针应向左偏；用电吹风机将热风吹向电阻，电阻RT温度升高，电阻值减小，所以指针向右偏。
答案：左 右
8.【解题指南】（1）电子受洛伦兹力发生偏转，故可用左手定则判断电势高低，但要注意电子运动的方向和电流方向相反。
（2）霍尔元件电势差稳定时，电子受洛伦兹力和电场力平衡，由此可推出电势差与电流、磁感应强度的关系。
【解析】（1）因电子的运动方向与电流的方向相反，再由左手定则可知，电子向C面偏移，所以C′面电势较高。
（2）假设定向移动速度为v，由I=，q=nebdvt，可得：I=nebdv 稳定时有：Bev=
可得：UC C′=I，式中各量均为定值，所以侧面的电势差与其中的电流成正比。
（3）由上可知B=代入得：B=0.02T
答案：（1）C′面较高（2）见解析（3）0.02T
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