高中物理选修3-2第六章传感器-1.传感器及其工作原理（课件）

(共55张PPT)
吕 叔 湘 中 学
庞 留 根
传感器及其工作原理
传感器及其工作原理
教学目标
一、课题的引入
二、什么是传感器
三、光敏电阻
四．金属热电阻和热敏电阻
五、霍尔元件
推导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系
例1 例2
A组能力训练题 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
B组能力训练题 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
教学目标：
①知道非电学量转换成电学量的技术意义；
②通过实验，知道常见传感器的工作原理；
③初步探究利用和设计简单的传感器.
重点和难点：
1.几种常见传感器的工作原理（演示实验）；
2.学生自己设计简单的传感器.
一、课题的引入
【演示实验1】干簧管控制电路的通断
如图,小盒子A的侧面露出一个小灯泡,盒外
没有开关,但是把磁铁B放到盒子上面,
灯泡就会发光，把磁铁移走,灯泡熄灭.
盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？
A
B
S
N
探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通,电路导通.所以,干簧管能起到开关的作用.
S
N
打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件“干簧管”的结构。
这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。
【演示实验2】声光控开关控制电路的通断
①先在普通光照条件下，
②再把开关置于黑暗环境中。
二、什么是传感器？
刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制,这种元件有一个专门的名称：传感器。
什么是传感器呢？
它能够感受诸如力、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，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。
它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
①当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的.
②楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。
③为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。
传感器在日常生活中的使用：
④其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动洗衣机里的压力传感器等.
可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，使我们的生活更加方便、安全和舒适。
图6.1-3 各种传感器
各种温度传感器
力传感器
色标传感器
传感器
三、光敏电阻
有一些物质,例如硫化镉,电阻率与所受光照的强度有关。把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极(图6.⒈4)，
图6.1-4 光敏电阻
这样就制成了一个光敏电阻。
硫化镉表面受到的光照强度
不同时，两个电极间的电阻
也不一样。
【演示实验3】比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同
用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。
光敏电阻在暗环境下电阻值很大，
实验结果：
强光照射下电阻值很小。
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。
光敏电阻是由硫化镉制成的，硫化镉是一种半导体材料，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。
光敏电阻在光照射下电阻变化的原因:
光敏电阻
四．金属热电阻和热敏电阻
金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？
金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。
用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻.如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。
【演示实验4】热敏电阻随温度的升高电阻减小
用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。
热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，
且阻值随温度变化非常明显。
电阻R随温度变化的图线
R
T
O
电阻-温度特性曲线
热敏电阻
金属导线
半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。
金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
五、霍尔元件
1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。
图6.1-9 霍尔元件的工作原理
B
M
N
E
F
I
UH
如图,霍尔元件是在一个很小的矩形半导体( 例如砷化铟)薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成.若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B， 薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转, 使M、N间出现电压UH。
式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
这个电压叫霍尔电压，其决定式为
图6.1-10
B
M
N
E
F
I
UH
由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。
也就是说：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。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。
霍尔元件
推导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系
已知：假设霍尔元件中形成电流的是正电荷, 霍尔元件厚度为d. 宽度为l，通入的电流为I. 单位体积内正电荷的个数为n，正电荷的带电量为q.
B
M
N
E
F
I
UH
令
得：
式中的d为薄片的宽度，k为霍尔系数，它的大小与制作材料有关。由式子可以看出如果保证k、d、I 恒定，则霍尔电压U的变化就与B成正比。
例1、
电容器的电容C决定于极板正对面积S、极板间距离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s、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．
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．
定片
θ
甲
动片
知道C的变化，就可以知道θ的变化情况．
图甲是用来测定角度θ的电容式传感器．
压力F
固定电极
可动电极
丙
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．
乙
h
金属芯线
电介质
导电液体
图乙是测定液面高度h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，就可以知道F的变化情况。
图丙是测定压力F的电容式传感器，
随着电介质进入极板间的长度发生变化，就可以知道x的变化情况
实际中有各种各样的传感器．它们都是根据各种物理效应设计而成的，我们在初中学过，导线的电阻决定于导线的横截面积、长度和温度等因素,由此可以制成电阻式传感器，用来测定压力、温度等物理量．
极板
电介质
丁
x
极板
图丁是测定位移x的电容式传感器，
例1
例2、
如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 Rt（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）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____（填
“左”或“右”）移动；若用吹风机
将热风吹向电阻，表针将向____（填
“左”或“右”）移动。
右
左
Rt
Ω
欧姆表
解见下页
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，所以电流减小，指针应向左偏；
解析：
用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt 温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．
A组能力训练题1
1．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
ABD
A组能力训练题2
2．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为 传感器，它输入的是 信号，经传感器转换后，输出的是 信号。
电
声电
声音
A组能力训练题3
3．如图所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度θ发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种
变化转化为电学量的。
角度增大，正对面积减小，电容器电容变小
答：
定片
θ
动片
A组能力训练题4
4．如图所示，是一个测定液面高度的传感器,在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容器的两极，把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（ ）
A．h增大
B．h减小
C．h不变
D．无法确定
导线芯线
绝缘物质
导电液体
h
A
A组能力训练题5
5．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
B
A组能力训练题6
6．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
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
电源串联成闭合电路,那么（ ）
A．当F向上压膜片电极时，电容将减小
B．当F向上压膜片电极时，电容将增大
C．若电流计有示数，则压力F发生变化
D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
BC
解析：
当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流计有示数，则压力F发生了变化。
压力F
固定电极
可动电极
A组能力训练题7
7. 如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档,再将电表的两支表笔分别与光敏电阻RG的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间.若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_________（填“左”或“右”）转动。
左
解析：
所以将RG包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏．
右
RG
Ω
欧姆表
敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，
A组能力训练题8
8. 如图所示是电阻式温度计，一般是利用金属铂做的，已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道其温度.这实际上是一个传感器，它是将________转化为________来进行测量的.
电阻
温度
A组能力训练题9
θ'=θ
B. θ'<θ
C. θ' >θ
D. 不能确定θ和θ' 的关系
B
9.如图所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于“Ω”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，表针的偏角变为θ' ，则可判断 （ ）
θ
A组能力训练题10
10．如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻, L为小灯泡，当温度降低时 (　　)
A．R1两端的电压增大
B．电流表的示数增大
C．小灯泡的亮度变强
D．小灯泡的亮度变弱
A
R1
R2
E r
L
C
B组能力训练题1
1. 如图示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻,此光电计数器的基本工作原理是 ( )
当有光照射R1时,信号
处理系统获得较高电压
B. 当有光照射R1时,信号
处理系统获得较低电压
C. 信号处理系统每获得一次较低电压就计数一次
D. 信号处理系统每获得一次较高电压就计数一次
R1
R2
信号处理系统
B D
B组能力训练题2
图甲是测量 的电容式传感器，原理是
。
定片
θ
甲
角度θ
由于C∝S，动片与定片间的角度θ发生变化时，引起S的变化，通过测出C的变化，测量动片与定片间的夹角θ
图乙是测量 的电容式传感器,原理是 。
金属芯线
电介质
导电
液体
乙
h
液面高度h
由于C∝S，h发生变化,金属芯线和导电液体组成的电容发生变化,通过测定C的变化,可以测量液面高度h 的变化。
如图所示：
图丙是测量 的电容式传感器，原理是
。
固定电极
可动电极
F
丙
压力F
由于C∝1/d，压力F 作用在可动电极上,引起极板间距d 的变化, 通过测出C的变化, 测量压力F的变化。
图丁是测量 的电容式传感器，原理是
。
极板
电介质
丁
x
位移x
由于C 随着电介质进入极板间的长度发生变化，通过测出C的变化，测量位移x的变化。
B组能力训练题3
压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图（b）所示，下列判断正确的是 ( )
A. 从 t1 到 t2 时间内，小车做匀速直线运动
B. 从 t1 到 t2 时间内，小车做匀加速直线运动
C. 从 t2 到 t3 时间内，小车
做匀速直线运动
D. 从 t2 到 t3 时间内，小车
做匀加速直线运动
I
t3
0
（b）
t
t1
t2
A
压敏电阻
R
E
（a）
v
D
解见下页
从t2到t3时间内，电流值不变且比前面时间的电流大，表明回路的电阻不变且比前面时间的电阻小，压敏电阻对绝缘重球的压力 N=ma 为恒定值且比前面时间的压力大，小车如果做匀速直线
运动，则压敏电阻对绝缘重球
的压力为0，故选项C错D正确。
I
t3
0
（b）
t
t1
t2
从t1到t2时间内，电流随时间均匀增大，表明回路的电阻逐渐减小，压敏电阻对绝缘重球的压力逐渐增大，由牛顿第二定律，小车运动的加速度逐渐增大，故选项A、B错。
解：
B组能力训练题4
4．如图所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路, 其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器（图中未画出）相连接.则 （ ）
A．当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下
B．当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下
C．工作时，应该把恒温箱
内的加热器接在C、D端
D．工作时，应该把恒温箱
内的加热器接在A、B端
B D
A
B
R
R'
P
C
D
L
甲
乙
B组能力训练题5
惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止，弹簧处于自然长度。滑块
上有指针，可通过标尺测出
滑块的位移，然后通过控制
系统进行制导。设某段时间
内导弹沿水平方向运动，
滑块
滑杆
标尺
0
指针向左偏离O点的距离为s，则这段时间内导弹的加速度 （ ）
A. 方向向左，大小为 ks/m
B. 方向向右，大小为 ks/m
C. 方向向左，大小为 2ks/m
D. 方向向右，大小为 2ks/m
0
s
滑块向左偏离0点的距离s时，左边弹簧压缩s，对滑块产生向右的弹力为ks，
D
解：
这段时间内导弹的加速度2 ks/m ，
选项D正确。
右边弹簧伸长s，对滑块产生向右的弹力为ks，
滑块受到向右的合力为2ks，
B组能力训练题6
用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控制路灯的实验电路.要求是:光暗时灯亮,光亮时灯灭. 可供选择的器材如下:光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。
e
c
a
b
光敏电阻受到光照射时电阻变小 ，将光敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端，如图示：
将交流电源与路灯接入c、e之间。
光暗时光敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，ce处于闭合，路灯亮。
解：
220V
光亮时，光敏电阻值小,
ab间电流大,磁性强,吸住衔铁,电路ce处断开, 灯灭.
B组能力训练题7
图a为某一热敏电阻（电路符号为 ,其电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I－U关系曲线图.
（1）为了通过测量得到图a所示I－U关系的完整曲线,在图b和图c两个电路中应选择的是图___；简要说明理由： 。
(已知电源电动势为9V,内阻不计，滑动变阻器的阻值为0－100Ω),
b
电压可从0V调到所需电压，调节范围较大
V
A
图b
图c
V
A
I/mA
U/V
1 2 3 4 5 6 7
50
0
图a
10
20
30
40
（2）在图d电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω．由热敏电阻的I－U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_______V；电阻R2的阻值为 Ω．
A
R1
R2
热敏电阻
9V
图d
R
I/mA
U/V
1 2 3 4 5 6 7
50
0
图a
10
20
30
40
（2） I1=9/250=0.036A=36mA
I2=70-36=34 mA
由图a得 UR=5.2V
R2 =(9-5.2) / 0.034=118.8 Ω
5.2
118.8
解:
B组能力训练题8
8.某同学为一城市设计路灯自动控制电路。路灯要求在白天自动熄灭，而晚上自动开启。请你利用所学过的传感器的有关知识在下图中帮他连接好这个自动控制电路。
火线
零线
光敏电阻
连接电路如图示：
B组能力训练题9
如图所示，厚度为h、宽度为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中。当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A'之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流 I 和 B 的关系为 U=KIB/d 式中的比例系数K称为霍尔系数。
A'
h
d
I
B
A
霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的
另一侧会出现多余的正电荷，
从而形成横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力。当静电子与洛仑兹力达到平衡时，导体上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e。回答下列问题:
（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势_____下侧面A' 的电势（填高于、低于或等于）
（2）电子所受洛仑兹力的大小为________。
（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为________。
（4）由静电力和洛仑兹力平衡的条件，证明霍尔系数K= ，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。
（1）由题知电流是由电子向左的定向移动形成，电子在导体板中定向移动时要受洛仑兹力，由左手定则知电子向上侧移动，使得上侧出现
多余负电荷，而下侧出现多余正电荷，形成两侧之间的电势差。结果上侧的
电势低于下侧A'的电势。
（2）由洛仑兹力公式知电子
所受洛仑兹力的大小为 f=Bev
解：
（3）上、下两侧面可以看成是平行的，其间的电场认为是匀强电场，
由匀强电场知其场强 E=U/h
e
h
A'
A
I
·
v
所以电子所受静电力 F电= eE = eU/h
题目
这是一道综合性试题，它展示了一种新型发电机的原理（磁流体发电机原理）。
注意：金属导体中的载流子只有电子，而磁流体发电机中的载流子有正离子和负离子同时参与导电。
（4）因电子达到稳定，电场力与洛仑兹力平衡
F电=f
且通过导体的电流强度 I=nevdh
将U及I 的表达式代入U=KIB/d ，得
即 e U/h =Bev
得 U=hvB，
第2页
题目
B组能力训练题10
利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器,广泛应用于测量和自动控制等领域。如图1,将一金属或半导体薄片垂直置于磁场B中,在薄片的两个侧面a、b间通以电流I时, 另外两侧c、f 间产生电势差，这一现象称为霍尔效应。其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累, 于是c、f 间建立起电场EH ,同时产生霍尔电势差UH。
l
d
a
c
f
UH
图1
B
I
I
b
（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1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）；
当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时，
EH和UH达到稳定值，UH的大小与I和B以及霍尔
比例系数RH称为霍尔系数，仅与材料性质有关。
元件厚度d之间满足关系式 其中
（3）图2是霍尔测速仪的示意图，将非磁性圆盘固定在转轴上，圆盘的周边等距离地嵌装着m个永磁体，相邻永磁体的极性相反。霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近。当圆盘匀速转动时，霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图3所示。
a．若在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为P,请导出圆盘转速N的表达式。
b．利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程。除此之外,请你展开“智慧的翅膀”, 提出另一个实例或设想。
t
0
1
2
3
4
P-1
UH
P
图3
霍尔元件
永磁体(共m个)
图2
题目
（1）
解：
c端电势高
（2）由
得
①
当电场力与洛伦兹力相等时 eEH=evB
②
得 EH=vB ③
又 I=nevS ④
将③④代入②得
（3）a．由于在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为P，则 P=mNt
圆盘转速为
b．提出的实例或设想合理即可
题目
第2页
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