高中物理第1节 常见传感器的工作原理精品学案

第1节　常见传感器的工作原理

学习目标：1.[物理观念]知道什么是传感器，知道传感器的组成和作用。　2.[科学思维]了解传感器将非电学量转换为电学量的一般应用模式。　3.[科学态度与责任]了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及作用。

阅读本节教材，回答第101 页“问题”并梳理必要知识点。

教材P101问题提示：传感器是利用敏感元件感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件或装置。

一、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．组成与结构

(1)组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成

(2)结构：→→→

二、敏感元件

1．光敏元件

(1)光敏电阻是一种典型的光敏元件，广泛应用于光敏传感器。

(2)光敏电阻的构成物质为半导体材料，当光照射到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其阻值会发生改变。光照越强被激发出的电子数就越多，电阻就越小。

(3)特点：光照越强，电阻越小。

2．热敏元件

(1)热敏电阻是一种常用的热敏元件，广泛应用于温度传感器。

(2)热敏电阻由半导体材料制成，其电阻有随温度的改变而改变的特性。

(3)分类：

①电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻。

②电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。

3．磁敏元件

(1)霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，广泛应用于磁传感器。

(2)构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个引出端子，就成为一个霍尔元件。

产生霍尔电压的示意图

(3)霍尔电压：UH＝k。

①其中d为霍尔元件的厚度，k为与材料有关的霍尔系数。

②对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，则UH完全取决于磁感应强度B。

(4)作用：把磁感应强度的测量转换为电压的测量。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。  (×)

(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。  (√)

(3)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。  (×)

(4)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。  (×)

(5)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比。  (√)

2．关于传感器及其作用，下列说法正确的是(　　)

A．传感器一定是把非电学量转换为电学量

B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断

C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制

D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器

C　[传感器是指一种元件或装置，它能感受力、温度、光、声、磁、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；其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量，找出非电学量和电学量之间的对应关系。电磁感应是原理，不是元件和装置，不能称为传感器。]

3．(多选)许多楼道照明灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启；而白天，即使有声音它也没有反应，它的控制电路中接入了哪些传感器(　　)

A．温度传感器　　　　 B．光传感器

C．声音传感器 D．热传感器

BC　[楼道照明灯根据接收到的光信号和声音信号控制是否开启，所以其控制电路中接入了光传感器和声音传感器。]

1．传感器的核心元件

(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。

(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。

(3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。

2．传感器的工作原理

传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示：

→→→→

3．分类

【例1】　如图所示为普通冰箱内温度控制器的结构。铜质的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，上述材料就构成了一个温度传感器。膜盒3为扁圆形(图中显示为它的切面)，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接。盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀。测温泡1安装在冰箱的冷藏室中，5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作。弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上，连杆9的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的。逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。

(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够开始工作，而当达到设定的低温后又自动停止工作？

(2)为什么凸轮可以改变设定的温度？

[解析]　(1)冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而当达到设定的低温时弹簧7带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作。

(2)凸轮逆时针旋转会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与膜盒3共同控制弹簧片4的运动，故凸轮可以改变设定的温度。

[答案]　见解析

分析传感器问题要注意的四点

(1)感受量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等。

(2)敏感元件分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。

(3)电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。

(4)执行机构工作分析：传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。

1．全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，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。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)。

[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，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大。

[答案]　b、c　增大

1．光敏电阻的特性

当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强，电阻减小。

2．热敏电阻的两种类型

热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变化，常见的有两种类型，图中甲为PTC型，乙为NTC型。PTC型为正温度系数热敏电阻，NTC型为负温度系数热敏电阻。

【例2】　如图所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是(　　)

A．电压表的示数增大

B．R2中电流减小

C．电阻丝的功率增大

D．电路的路端电压增大

D　[当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故本题选项为D。]

含传感器电路的分析方法

(1)判断电路的整体连接特点。

(2)由敏感元件电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。

(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。

(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化。

2．(多选)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带的电荷量增大

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

AB　[当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由闭合电路欧姆定律知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，选项B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，选项D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由电场强度E′＝U2d，Q＝CU2可知Q、E′都增大，选项A正确，C错误。]

1．霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍尔效应可以确定一种半导体材料是电子型还是空穴型。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。

2．利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁感应强度，测量直流和交流电路中的电流和功率，转换信号，如把直流转换成交流并对它进行调制，放大直流或交流信号等。

【例3】　(多选)如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法正确的是(　　)

A．M点电势比N点电势高

B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度

C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量

D．若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比

BCD　[当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压UH＝k，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。 ]

3．(多选)如图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，相对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流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(　　)

A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，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

ABD　[一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝k，知UH将变大，A正确；地球两极处磁场可看作与地面垂直，所以工作面应保持水平，B正确；赤道处磁场可看作与地面平行，所以工作面应保持竖直，C错误；若磁场与工作面夹角为θ，则应有qvBsin  θ＝q，可见θ变化时，UH将变化，D正确。]

1．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

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。 ]

2．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是(　　)

A．金属导体　　　　　 B．光敏电阻

C．NTC热敏电阻 D．PTC热敏电阻

C　[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C正确，A、B、D错误。]

3传感器的种类多种多样，其性能也各不相同。空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是(　　)

A．生物传感器 B．红外传感器

C．温度传感器 D．压力传感器

C　[空调机是根据温度调节工作状态的，所以其内部使用了温度传感器，故选项C正确。]

4、如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则(　　)

A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高

B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低

C．当仅增大R2的阻值时，可减小A、B之间的电压

D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压

B　[R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项错误；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。]

5．一块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轴正方向，并通有沿x轴正方向的电流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UCC′，就可测得B。若已知其霍尔系数k＝＝10 mV/mA·T。并测量UCC′＝0.6 mV，I＝3 mA。试求该元件所在处的磁感应强度B的大小。

[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：UCC′＝I，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(2)可知B＝，代入得：B＝0.02 T。

[答案]　(1)C′面较高　(2)见解析　(3)0.02 T