人教版（2019） 高中物理 选择性必修第二册 第5章 传感器章末综合提升学案

[巩固层·知识整合]
[提升层·能力强化]
　 传感器工作原理、常见敏感元件及应用
1.传感器的工作原理
传感器感受的都是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号一般都是非常微弱的，通常要经过放大后再传送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示。
2．常见敏感元件及特性
(1)光敏电阻：光敏电阻的阻值与所受光照的强度有关，光照增强电阻减小，光照减弱电阻增大。
(2)金属热电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大。
(3)热敏电阻：热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种。正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
(4)电容器：平行板电容器的电容与极板面积、极板间距及电介质材料有关，电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息，并将其转化为电容变化。例如，当极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化。
3．传感器的应用
传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用。
(1)“感”是指传感器的敏感元件感受信息，并转化为电学量。
(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取并转化的电学信息传给执行机构。
(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作。
4．传感器电路问题的设计思路
处理与传感器有关的电路设计问题时，可将整个电路分解为：
(1)传感器所在的信息采集部分。
(2)转化传输部分(这部分电路往往与直流电路的动态分析有关)。
(3)执行电路。
【例1】　如图甲所示为某一热敏电阻(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)为了通过测量得到如图甲所示I?U关系的完整曲线，在图乙(a)和(b)两个电路中应选择的是 ；
简要说明理由： 。
(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)
甲
乙
(2)在图所示电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω。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。
(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子。
[解析]　(1)由于I?U关系图线中电压从0调至所需电压，电压调节范围大，所以应选择(a)。
(2)由题图知，R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上，总电流I＝70 mA，R1＝250 Ω。设通过热敏电阻的电流为I2，通过R1的电流为I1，则I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝ mA＝34 mA。由图像查得34 mA对应的电压为5.3 V，R2两端电压U2＝(9－5.3) V＝3.7 V，所以R2＝＝108.8 Ω。
(3)应用热敏电阻的例子很多，如恒温箱，自动孵化器，热敏温度计等。
[答案]　(1)(a)　电路电压可从0调到所需电压，电压调节范围大　(2)5.2　108.8(108.6～109.0均可)　(3)恒温箱，自动孵化器，热敏温度计等
日常生活中常见的传感器
1.红外线传感器
红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号，从而得知辐射源的相关参数或信息。
自然界几乎所有的物体都能辐射波长在0.76～1 000 μm的电磁波，即红外线，因此红外线传感器不仅被广泛用于航空摄影、卫星遥感遥测等高科技领域，也被广泛用于日常生活中，自动门、生命探测器、非接触式红外测温仪、家电遥控系统以及防盗、防火报警器等均使用了红外线敏感传感器。
自动门的工作流程如图所示。当有人接近自动门时，传感器接收到人体发出的红外线，产生电压输出信号；信号经过电路处理后，使定时器工作；由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒钟后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭。
2．压力传感器
全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器。图(a)中1和2分别是洗衣机的外筒和内筒， 3是气室， 4是传感器的膜盒。气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通。向内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜片向上凸起如图(b)所示，当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物。
3．电脑中的传感器
电脑常用的两种温度传感器：热敏电阻传感器和集成温度传感器。以下是这两种温度传感器的工作原理。
(1)热敏电阻传感器
热敏电阻传感器按温度对电阻变化的影响，一般可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻，以及临界温度系数热敏电阻。正温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻的电阻特性会在特定温度下发生急剧变化，适用于温度检测或控制。负温度系数热敏电阻主要为氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物的复合烧结体，这些金属氧化物材料都具有半导体性质，当温度较低时，半导体内的电子——空穴对数目较少，因此电阻较高。当温度升高时，热敏电阻内的电子——空穴对数目增加，因此导电率增加，电阻值下降。
(2)集成温度传感器
集成温度传感器是目前电脑普遍采用的温度传感器，具有精确度高、响应速度快、体积小、功耗低、软件界面控制方便等优点。温度检测的主要机制为集成温度传感器内部的电流源和ADC，集成温度传感器的工作原理是利用半导体PN正向导通，使电压与温度变化呈反向线性关系，所以后续处理电路可将正向导通电压变化趋势图线表述为被测温度的变化趋势。
4．酒精浓度测试仪
机动车驾驶员酒后驾车，极易发生道路交通事故，严重危害交通安全和人身财产安全。怎样才能判定驾驶员是否酒后驾车呢？人饮酒后，酒精通过消化系统被人体吸收，经血液循环，约有90%的酒精通过肺部呼气排出，因此测量呼气的酒精含量就可以判断其饮酒程度。我国已制成对低浓度酒精有高灵敏性的酒精传感器。交通警察使用这样的酒精传感器就能迅速、准确地检查出机动车驾驶员是否酒后驾车。
【例2】　青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能。用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。
光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天)时电阻几乎为0；照射光较弱(如夜晚)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，夜晚打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于等于50 mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50 mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，在下面虚线框中画出电路原理图。
光敏电阻R1，符号
灯泡L，额定功率40 W，额定电压36 V，符号
保护电阻R2，符号
电磁开关，符号
蓄电池E，电压36 V，内阻很小
开关S，导线若干
(2)回答下列问题：
①如果励磁线圈的电阻为200 Ω，励磁线圈允许加的最大电压为 V，保护电阻R2的阻值范围为 Ω。
②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通。为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明。
答：
。
③任意举出一个其他的电磁铁应用的例子。
答：
。
[解析]　(1)电路原理如图所示。
(2)①由题意知：U＝IR＝0.1 A×200 Ω＝20 V；
R2的阻值最小时流过励磁线圈的电流最大，
即Imax＝，解得Rmin＝160 Ω；
R2的阻值最大时流过励磁线圈的电流最小，
即Imin＝，解得Rmax＝520 Ω。
故保护电阻R2的阻值范围为160～520 Ω。
②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通；不吸合时，3、4之间断开。
③电磁起重机(电磁打点计时器、电铃等合理答案均可)。
[答案]　(1)见解析　(2)①20　160～520　②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当磁铁吸合铁片时，3、4之间接通，不吸合时，3、4之间断开　③见解析
[一语通关]　
(1)传感器中的敏感元件用于接收非电学量，并将其转换为电学量。
(2)传感器一般用于有害于人体或人不能轻易到达的环境。
(3)在不同的仪器中所使用的传感器一般不同，其原理也不尽相同，但都是将非电学量转化为电学量。
[培养层·素养升华]
霍尔效应
霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的电磁感应完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。
迄今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。
例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元(ECU)的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火装置，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。
用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机，这些器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。
霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换，可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。如今的霍尔器件可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。
[设问探究]
1．霍尔电压的正负与载流子的电性有关，不像金属导体，移动的只是电子，它有多种情况。如图，若载流子为正电荷，哪个极板电势高？
2．若载流子是负离子，哪个极板电势高？
3．长方体玻璃水槽中盛有NaCl的水溶液，水槽左、右侧壁内侧各装一导体片，使溶液中通入水平向右的电流，匀强磁场B垂直纸面向外。NaCl溶液中既有正离子，又有负离子，哪个极板电势高？
4．若正负载离子同向运动，又会出现什么样的情况？
提示：1.若载流子是正电荷，则载流子在洛伦兹力作用下会向下偏转，导体下表面积累正电荷。同时，上表面失去正电荷而带上负电，从而使下表面电势高于上表面。
2．在磁场、电流方向相同的情况下，单种载流子电性相反，则上下表面的电势高低也相反。
3．NaCl溶液中既有正离子，又有负离子，根据左手定则可判断正离子受到向下的洛伦兹力，故向下运动并堆积。同理，负离子也受到向下的洛伦兹力，也向下运动并堆积。由于正负离子均向下侧面堆积，故上下两侧面的电势均为0，但下侧面处离子浓度大于上侧面离子浓度。
4．为了监测某化工厂的污水排放量，技术人员在排污管末端安装了流量计。上下两内侧面分别固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置。污水向右流动，污水中既有正离子，又有负离子，在磁场的作用下，根据左手定则，正离子往下表面偏，负离子往上表面偏，故下表面的电势比上表面高。
[深度思考]
1．磁强计、电磁流量计、磁流体发电机、霍尔元件都是利用电磁场对带电粒子的偏转效应，并且稳定时电场力与磁场力均达到平衡。它们的区别和联系？
2．粒子偏转后，若两极板间聚集等量的异种电荷，相当于一个电源，板间形成电场。稳定时，F电＝F磁。若与外电路接通，计算板间场强大小时，其U指电势差还是电动势？此时F电与F磁还相等吗？
答案：
1.
表1
2.不与外电路接通时，电动势就是电势差，当外接电阻时，电荷在外电路中定向移动，板上电荷量减少，板间电压减少，电场减弱，F电1/10