(共12张PPT)
第1节 常见传感器的工作原理
知识 清单破
知识点 1
知识点 1
初识传感器
1.定义:能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器
件或装置。
2.功能:传感器通常用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息采集和转化任务,把非电学
量转化为电学量。
3.组成:传感器主要由敏感元件和转换元件组成(如图所示)。
1.光敏元件
(1)光敏电阻是常见的光敏元件,它由金属硫化物等半导体材料制成。光照越强,被激发的电
子数越多,电阻值就越小。
(2)光敏元件除光敏电阻外,还有光敏晶体管、光电池等。
2.热敏元件
热敏电阻是一种常用的热敏元件,广泛应用于温度传感器中。
(1)NTC热敏电阻(负温度系数热敏电阻):阻值随温度升高而减小。
(2)PTC热敏电阻(正温度系数热敏电阻):阻值随温度升高而增大。
知识点 1
知识点 2
敏感元件
3.磁敏元件
如图,E、F间通入恒定电流I,同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的匀强磁场,则M、N间
出现霍尔电压UH,UH=k ,式中d为霍尔元件的厚度,k为与材料有关的霍尔系数。对于一个给
定的霍尔元件,当电流I固定时,UH完全取决于磁感应强度B。因此,霍尔元件可将磁感应强度
的测量转化为电压的测量。
1.所有传感器都是由半导体材料做成的。 ( )
并非所有传感器都是由半导体材料做成的,金属材料也可制成传感器。
2.传感器只能感受温度和光两个物理量。 ( )
传感器能感受压力、位移、流量、浓度、温度、光等物理量。
3.负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而增大。 ( )
负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而减小。
4.随着光照的增强,光敏电阻的阻值逐渐增大。 ( )
随着光照的增强,光敏电阻的阻值逐渐减小。
知识辨析 判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ” 。
疑难 情境破
疑难1
传感器
情境探究
如图甲所示,家用电热灭蚊器中应用了温度传感器,它的主要元件是PTC元件。PTC元件是由
钛酸钡等半导体陶瓷发热材料制成的电阻器,它有一个根据需要设定的温度,低于这个温度
时,其电阻随温度的升高而减小,高于这个温度时,电阻则随温度的升高而增大,我们把这个设
定的温度叫“居里点”。该元件电阻率ρ随温度t变化的关系图线如图乙所示,由于这种特性,
PTC元件具有发热、保温双重功能。
问题2
通电后,PTC元件电功率先增大后减小,还是先减小后增大
提示 先增大后减小。通电后PTC元件的温度逐渐升高,由题图可知,电阻率先变小后变大,
由电阻定律R=ρ 可知,PTC元件的电阻R先变小后变大,电源电压U不变,由P= 可知,PTC元
件的电功率先变大后变小。
提示
问题1
根据图乙所示,该PTC材料的居里点为多少
提示 T1。根据题图分析可知,低于T1时,其电阻值随温度的升高而减小,高于T1时,电阻则随
温度的升高而增大,所以该PTC材料的居里点为T1。
提示
问题3
当PTC元件产生的热量与散发的热量相等时,温度能自动保持在哪一个范围内的某一值不
变
提示 T1~T2。由题图分析可知,在T0~T1区间内,PTC元件的电阻随温度的升高而减小;在T1~T2
区间内,PTC元件的电阻随温度的升高而增大;在T2往后的区间内,电阻随温度的升高而减
小。在家庭电路中电压不变,电阻消耗的电功率P= ,可知发热功率与电阻成反比。在温度
升到T1前,PTC元件的电阻随温度的升高而减小,功率增大,温度升高更快;温度一旦超过T1,
PTC元件的电阻随温度的升高而增大,功率减小,放出热量减小,温度升高变慢,当其产生的热
量与散发的热量相等时,温度保持在T1至T2间的某一值不变。
提示
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物理信号转换成便于显示、记录、处理和控
制的电信号的电子元件。
(3)转换电路:将转换元件输出的电学量放大或转换成其他电信号的电路。
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。
讲解分析
疑难2
敏感元件
讲解分析
1.光敏电阻
作用 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
特点 光照越强,电阻越小
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,导电性能变好
2.热敏电阻
(1)热敏电阻的特性
热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻,正温度系数热敏电阻随温度升
高阻值增大,负温度系数热敏电阻随温度升高阻值减小。
(2)热敏电阻阻值变化的原因
对于负温度系数热敏电阻,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,于是导电性能明显增强,阻值减小。
3.磁敏元件——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
了一个霍尔元件。
(2)作用
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。
(3)霍尔电压:UH=k 。
①其中k为比例系数,称为霍尔系数,其大小与薄片的材料有关
②一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值,再保持I恒定,则UH就与B成正比。
(4)霍尔效应的原理
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力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电场力,当
电场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。
(5)推导
设图中霍尔元件沿MN方向的长度为l2,当电场力与洛伦兹力平衡时,q =qvB,根据电流的微
观表达式I=nqSv,S=l2d,整理后,得UH= 。令k= ,因n为材料单位体积内的自由电荷数,q为
单个自由电荷的电荷量,它们均为定值,所以UH=k 。一个霍尔元件的d、k为定值,保持I不
变时,UH与B成正比,这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。第5章 传感器及其应用
第1节 常见传感器的工作原理
基础过关练
题组一 传感器的工作原理
1.下列传感器工作的一般流程正确的是 ( )
A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
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→转换元件→转换电路→电学量
D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
题组二 光敏电阻
2.如图所示,将多用电表的两表笔接在光敏电阻两端,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的偏角为θ,现用手掌挡住部分光线,表针的偏角为θ',则可判断 ( )
A.θ'=θ B.θ'<θ
C.θ'>θ D.不能确定θ和θ'的关系
题组三 热敏电阻
3.(多选题)如图所示,在电路中接一段钨丝,闭合开关,灯泡正常发光,当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗,根据钨丝的上述特性,可用钨丝来制作一个温度传感器。下面说法中正确的是 ( )
A.该传感器利用了钨丝的化学性质
B.该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性
C.该传感器能够把热学量(温度)转换为电学量(电阻)
D.该传感器能够把电学量(电阻)转换为热学量(温度)
题组四 磁敏元件
4.磁传感器是将磁信号转变为电信号的仪器。如图所示,将探头放在磁场中,可以很方便地测量磁场的强弱和方向,探头可能是 ( )
A.感应线圈 B.热敏电阻
C.霍尔元件 D.干簧管
5.小明用实验来探究自行车测速码表用的霍尔元件中自由电荷的电性。如图所示,设NM方向为x轴,沿EF方向(y轴)通入恒定电流I,垂直于薄片方向(z轴)加向下的磁场B,测得沿 (选填“x”或“z”)轴方向会产生霍尔电压UH,如果自由电荷为负电荷,则 (选填“M”“N”“薄片上表面”或“薄片下表面”)一侧电势高。
能力提升练
题组一 光敏电阻的应用
1.某学校新装了一批节能路灯,如图甲所示,该路灯通过光控开关实现自动控制:电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变。如图乙为其内部电路简化原理图,电源电动势为E,内阻为r,R1为光敏电阻(光照强度增加时,其电阻值减小)。当随着傍晚到来光照逐渐减弱时,下列判断正确的是 ( )
A.A灯变亮,B灯变暗
B.电源的效率变大
C.电源内阻消耗的功率变大
D.R1中电流的变化量等于R0中电流的变化量
2.公共场所的照明系统普遍使用声、光控开关,其示意图如图甲所示,该系统在光线较暗且有活动声音时启动照明。
(1)声控开关和光控开关的连接方式为 (填“串联”或“并联”)。
(2)其中光控开关的控制电路如图乙所示,电源电动势为3.0 V,电磁继电器控制光控开关接通或断开,流过继电器的电流为0.05 A时光控开关闭合,光敏电阻的阻值随照度(照度可以反映光的强弱,光越强,照度越大,单位为lx)的变化关系如图丙所示,已知继电器线圈电阻为10 Ω,电源内阻不计。
①若要求照度为0.6 lx时光控开关闭合,则电阻箱的阻值应调为 Ω;
②为了节约用电,在光的照度值更低时光控开关闭合,应该把电阻箱的阻值调 (填“大”或“小”)。
题组二 热敏电阻的应用
3.(多选题)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的带电荷量增大
B.电压表的示数增大
C.电容器C两极板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
4.某同学利用伏安法描绘某热敏电阻阻值随温度的变化关系。所用器材:电源E(内阻不计)、开关S、滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)、电压表(可视为理想电表)、毫安表(可视为理想电表)、导线若干。
(1)实验电路图如图甲所示。
甲
(2)实验时,将热敏电阻置于温度控制室中,闭合开关,记录不同温度下电压表和毫安表的示数,计算出相应的热敏电阻阻值。实验中得到的该热敏电阻阻值RT随温度t变化的曲线如图乙所示。
乙
(3)在某次操作中,升高温控室的温度,要想仍保持毫安表的示数不变,需要将滑动变阻器的滑片向 (选填“左”或“右”)移动。
(4)将热敏电阻从温控室取出置于室温下,室温为20 ℃,把此热敏电阻、毫安表(可视为理想电表)和一节干电池(电动势为1.5 V,内阻不计)串联成闭合回路,毫安表的示数为 mA。(保留两位有效数字)
丙
(5)利用实验中的热敏电阻可以制作温度报警器,其电路的一部分如图丙所示。当丙图中热敏电阻的输出电压小于等于3 V时,便触发报警系统报警。若要求开始报警时环境温度为60 ℃,则图中电阻箱R的阻值应为 Ω。若要调高报警温度,电阻箱R的阻值需要调 (选填“大”或“小”)。
题组三 磁敏元件的分析与计算
5.(多选题)如图所示,载流子为电子的霍尔元件样品置于磁场中,表面与磁场方向垂直,图中的1、2、3、4是霍尔元件上的四个接线端。当开关S1、S2闭合后,三个电表都有明显示数,下列说法正确的是 ( )
A.通过霍尔元件的磁场方向向下
B.接线端2的电势低于接线端4的电势
C.同时将电源E1、E2反向,电压表的示数将改变
D.若适当减小R1、增大R2,则电压表示数一定增大
6.(多选题)如图所示,是霍尔元件的工作原理示意图。磁场垂直于霍尔元件的工作面向上,通入图示方向的电流I,C、D两侧面间会产生电势差,下列说法中正确的是 ( )
A.电势差的大小仅与磁感应强度有关
B.若霍尔元件的载流子是自由电子,则电势φC>φD
C.仅增大电流I时,电势差变大
D.在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
答案与分层梯度式解析
第5章 传感器及其应用
第1节 常见传感器的工作原理
基础过关练
1.C 传感器工作的一般流程为非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量,因此A、B、D错,C对。
2.B 因为多用电表选择开关置于欧姆挡,所以测量的是光敏电阻的阻值,光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,开始时有光照射,光敏电阻的阻值较小,当用手掌挡住部分光线时,光敏电阻的阻值增大,因为多用电表测电阻时的零刻度线在表盘的右侧,所以多用电表测电阻时,阻值越大,指针偏角越小,所以选项B正确。
3.BC 由题目中的现象可知钨丝的电阻随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,利用钨丝的这个物理性质可以制成温度传感器,该传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,B、C对,A、D错。
4.C 将探头放在磁场中,可以测量磁场的强弱和方向,过程中将磁信号转变为电信号,所以探头可能是霍尔元件,故选C。
5.答案 x M
解析 由左手定则可知,带负电的自由电荷向N侧偏转,N侧带负电,N、M间(x轴方向)产生霍尔电压,M侧电势高。
能力提升练
1.B 光照逐渐减弱时,光敏电阻阻值增大,电路总电阻增大,总电流减小,内电压减小,外电压增大,A灯支路中电流增大,故A灯变亮;支路R0中的电流减小,R0两端的电压减小,又因为外电压增大,所以B灯两端电压增大,所以B灯变亮,故A错误。因为外电阻变大,根据η===1-,可知电源的效率变大,故B正确。因为内电压减小,所以电源内阻消耗的功率变小,故C错误。对于电阻R0所在的支路,有ΔI0=ΔIB+ΔI1,其中ΔI0<0,ΔIB>0,所以|ΔI0|<|ΔI1|,故D错误。
2.答案 (1)串联 (2)①20 ②小
解析 (1)声、光控开关闭合需要同时满足光线较暗和有活动声音两个条件,则声控开关和光控开关的连接方式为串联。
(2)①已知继电器线圈电阻为10 Ω,由图丙可知,照度为0.6 lx时,光敏电阻的阻值为R=30 Ω,流过继电器的电流为0.05 A时光控开关闭合,由闭合电路欧姆定律可得E=I(R+R继+R电),解得R电=-R-R继=20 Ω,即电阻箱的阻值应调为20 Ω。
②为了节约用电,在光的照度值更低时光控开关闭合,由图丙可知,光敏电阻阻值变大,在流过继电器的电流为0.05 A时总电阻不变,故应该把电阻箱的阻值调小。
3.AB 当环境温度降低时,R2阻值变大,电路的总电阻变大,由I=知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数增大,选项B正确;由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1变小,选项D错误;电容器两极板间的电压U2=U-U1,由U1=IR1可知U1变小,U2变大,由场强公式E'=知E'变大,由Q=CU2可知Q增大,选项A正确,C错误。
4.答案 (3)左 (4)0.54 (5)400 小
解析 (3)升高温控室的温度,热敏电阻阻值减小,要想仍保持毫安表的示数不变,需要减小RT两端电压,则需要将滑动变阻器的滑片向左移动。
(4)室温为20 ℃,由RT-t图像可知热敏电阻阻值为2.8 kΩ,则毫安表的示数为I== A≈0.54 mA。
(5)根据串联电路的分压原理,可得=,环境温度为60 ℃时,RT=600 Ω,电阻箱的阻值为R=·RT=×600 Ω=400 Ω。温度升高时,该热敏电阻阻值减小,根据串联电路的分压原理,若要调高报警温度,电阻箱R的阻值需要调小。
5.AB 由安培定则可判断出左侧线圈产生的磁场方向向上,经铁芯后在霍尔元件处的磁场方向向下, 故A正确;霍尔元件处的磁场方向向下,由左手定则可知,霍尔元件中的自由电子受到的洛伦兹力向右,电子偏向接线端2,则接线端2的电势低于接线端4的电势,故B正确;同时将电源E1、E2反向接入电路,磁场反向,电流反向,霍尔元件中电子受到的洛伦兹力不变,电压表的示数不变,故C错误;若适当减小R1,电流产生的磁场增强,通过霍尔元件的磁场增强,增大R2,流过霍尔元件的电流减小,霍尔元件两端电压U=k可能减小,电压表示数可能减小,故D错误。
6.BC 根据C、D间存在电势差,可知C、D之间存在电场,载流子在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡状态,设霍尔元件的长、宽、高分别为a、b、c,有=qvB,又由I=nqvS=nqvbc可得UCD=,n的值取决于材料,故UCD不仅与材料有关,还与厚度c、磁感应强度B、电流I有关,仅增大电流I时,电势差变大,A错误,C正确。根据左手定则,电子向D侧面偏转,D表面带负电,C表面带正电,所以C表面的电势高,则φC>φD,B正确。在测定地球赤道上方的地磁场强弱时,应将元件的工作面保持竖直,让磁场方向与霍尔元件的工作面垂直,D错误。
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