河北省邢台市高中物理 第六章 传感器 6.1 传感器及其工作原理

河北省邢台市高中物理 第六章 传感器 6.1 传感器及其工作原理

‎6.1 传感器及其工作原理 ‎ ‎【学习目标】‎ ‎1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.‎ ‎2.知道将非电学量转化为电学量的意义.‎ ‎3.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的性能，知道其工作原理及作用．‎ 一、什么是传感器 ‎[问题设计]‎ 如图1所示，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．‎ 图1‎ 盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．干簧管结构：如图2所示，它只是玻璃管内封入的两个 制成的簧片．‎ 图2‎ 作用：在电路中起到开关的作用，它是一种能够 的传感器．‎ ‎2．传感器定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 ‎ ‎，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 )，或转换为电路的 的元件．‎ ‎3．非电学量转换为电学量的意义：把 转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和 ．‎ ‎4．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化为电学量的；‎ ‎(3)是如何显示或控制开关的．‎ 二、光敏电阻 ‎[问题设计]‎ 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图3所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什么？‎ 图3‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．光敏电阻：把电阻率与所受光照强度有关的物质(如硫化镉)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，这样就制成了一个光敏电阻．‎ ‎2．原理：无光照时， 极少，导电性能 ；随着 的增强，载流子 ，导电性变好．‎ ‎3．特点：光照越强，电阻越 ．‎ ‎4．作用：把 这个光学量转换为 这个电学量．‎ 三、热敏电阻和金属热电阻 ‎[问题设计]‎ 如图4所示，将多用电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 ‎(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．若在RT上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？‎ 图4‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．热敏电阻：用电阻随温度变化非常明显的 材料如(氧化锰)制成．按热敏电阻阻值随温度变化的规律，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．‎ ‎(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻 ．‎ ‎(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻 ．‎ ‎2．金属热电阻：金属的电阻率随温度 而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成 传感器，称为热电阻．‎ ‎3．热敏电阻和金属热电阻都能够把 这个热学量转换为 这个电学量．金属热电阻的 稳定性好，测温范围 ，但 较差．‎ 四、霍尔元件 ‎[问题设计]‎ 如图5所示，在矩形半导体薄片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垂直的方向移动，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH.试推导其表达式．‎ 图5‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件．‎ ‎2．原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在 的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现 ．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受 和 二力平衡．‎ ‎3．作用：霍尔电压UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中 与 成正比，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为 这个电学量．‎ ‎4．霍尔电势高低的判断方法 由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向．‎ 一、对传感器的认识 例1 如图6是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．‎ 图6‎ 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．‎ ‎(1)若把一只电压表接在c、d之间当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．‎ ‎(2)将电压表接在b、c之间，当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．‎ 二、对光敏电阻、热敏电阻的认识及应用 例2 如图7所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3‎ 为光敏电阻，当入射光强度增大时( )‎ 图7‎ A．电压表的示数增大 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 三、对霍尔元件的认识及应用 例3 如图8所示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)( )‎ 图8‎ 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 传感器及其工作原理 ‎1．(对传感器的认识)关于传感器，下列说法正确的是 ( )‎ A．所有传感器都是由半导体材料制成的 B．金属材料也可以制成传感器 C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D．水银温度计是一种传感器 ‎2.(对光敏电阻、热敏电阻的认识及电路分析)如图9所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，RT为负温度系数热敏电阻，RG为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变 暗的原因可能是( )‎ 图9‎ A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变 C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱 ‎3．(对霍尔元件的认识及应用)如图10所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有图示电流时，导体的上、下表面的电势关系为( )‎ 图10‎ A．UM>UN B．UM＝UN C．UMθ D．不能确定 题组三 对热敏电阻、金属热电阻的认识及电路分析 ‎8.如图6所示是观察电阻R的阻值随温度变化情况的示意图，现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是( )‎ 图6‎ A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显 B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显 C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显 D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显 ‎9.如图7所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是( )‎ 图7‎ A．变大 B．变小 C．先变大后变小再不变 D．先变小后变大再不变 ‎10．如图8所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( )‎ 图8‎ 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 题组四 对霍尔元件(效应)的认识及应用 ‎11.一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q＝1.6×10－‎19 C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等．在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽 ＝1.0×10－‎2 m、长＝4.0×10－‎2 m、厚h＝1×10－‎3 m，水平放置在竖直向上的磁感应强度B＝1.5 T的匀强磁场中，bc方向通有I＝‎3.0 A的电流，如图9所示，沿宽度产生1.0×10－5 V的横向电压．‎ 图9‎ ‎(1)假定载流子是电子，a、b两端中哪端电势较高？‎ ‎(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？‎