2020版高考物理新设计一轮复习江苏专版讲义：第十章第3节传感器及其应用

第3节传感器及其应用1．传感器：有这样一类元件，能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。2．光敏电阻：光敏电阻是把光照强弱这个光学量转换为电阻这一电学量的元件。通常是由硫化镉等半导体材料制成，其特点是光照变强，电阻变小。3．金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻是由铂、铜等金属材料制成，其特点是温度升高，电阻变大；热敏电阻是由半导体材料制成，其特点是温度升高，电阻变小。它们都能够把温度这个热学量转化为电阻这个电学量。4．霍尔元件：通常是由半导体元件制成，其产生的霍尔电压UH＝k。霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换为电压这个电学量。5．力传感器：典型的应用是电子秤，其中的主要元件为应变片，它的作用是将物体形变这一力学量转化为电压这一电学量。6．温度传感器：典型的应用是日光灯启动器和电熨斗，其中的主要元件为双金属片。日光灯启动器中的双金属片，其外层材料的热膨胀系数小于内层材料的热膨胀系数。电熨斗的工作原理(如图)：双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层，常温下，弹性铜片和双金属片触点是接触的，通电后，电热丝发热，当温度升高到某一值时，双金属片上层的金属受热膨胀，形变量大于下层金属，双金属片向下弯曲，使触点分离，切断电路；随着温度的降低，当降到某一温度时，双金属片收缩恢复原状，两触点又接触，接通电路。调温旋钮下压弹性铜片，可使触点分离的温度升高；上提弹性铜片，可降低触点的分离温度，从而实现了调温控制。7．感温铁氧体：也叫感温磁体。常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，当温度上升到约103 ℃时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。8．电饭锅：结构图如图所示。其工作过程：开始煮饭时压下开关按钮，由于常温下感温铁氧体具有磁性，永磁体将吸引感温磁体，因此手松开后这个按钮不会恢复到图示位置，则触点接触，电路接通，这时电饭锅处于加热状态。当水沸腾时，水的温度保持沸点不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热。当饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度上升，当温度超过103 ℃时，感温磁铁失去铁磁性，由于弹簧的作用，按钮开关将恢复到如图所示的位置，切断电源，从而停止加热。9.光传感器：光传感器是将光信号转化为电信号的装置，实际应用有鼠标器和火灾报警器等。烟雾式火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的。罩内装有发光二极管、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管收不到发光二极管发出的光，呈高电阻状态。当烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。突破点(一)　热敏电阻的特征热敏电阻是用半导体材料制成的，一般分为正温度系数热敏电阻(简称PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)，区别在于正温度系数热敏电阻阻值随温度的升高而变大，负温度系数热敏电阻阻值随温度的升高而变小。高中重点掌握的是负温度系数热敏电阻，如果题目没有特殊说明，一般认为是负温度系数热敏电阻。其电阻随温度变化的曲线如图所示。[题点全练]1.如图所示，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”)转动；若用吹风机向Rt吹热风，表针将向________(填“左”或“右”)转动。解析：热敏电阻为负温度系数的特性。若往上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。答案：左　右2．(2019·如东检测)某温控电路的原理如图所示，RM是半导体热敏电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在15 ℃～27 ℃的环境中工作，当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备。下列说法中正确的是(　　)A．环境温度降低，RM的阻值减小B．环境温度升高，Uab变大C．滑片P向下移动时，Uab变大D．调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度解析：选D　RM是半导体热敏电阻，环境温度降低时，RM的阻值增大，故A错误；环境温度升高时，RM的阻值减小，根据串联电路中电压与电阻成正比，可以知道Uab变小，故B错误；滑片P向下移动时，R增大，总电流减小，则Uab变小，故C错误；调节滑片P时，可改变Uab，从而改变升温和降温设备启动时的临界温度，所以D选项是正确的。突破点(二)　霍尔电压UH的公式推导对高中阶段而言，我们所涉及的载流子一般取自由电子分析。一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示。沿PQ方向通入电流，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电压。设薄片厚度为d，PQ方向长度为l，MN方向长度为a，薄片中的载流子受到磁场力发生偏转，使M侧电势高于N侧，造成半导体内部出现电场，带电粒子同时受到静电力作用。当磁场力与静电力平衡时，MN间的电压达到恒定。设材料单位体积的载流子数目为n，载流子的电荷量为e，可以列出I＝neSv＝neadv，qvB＝q，求解可得UH＝。取霍尔系数k＝，得UH＝k。对任一霍尔元件而言，k、d为定值，如果保持I恒定。UH与B成正比，只要求出UH，就可以得出B，这就是霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电学量的原因。[题点全练]1．[多选](2018·扬州模拟)如图所示，一绝缘容器内部为长方体空腔，容器内盛有NaCl的水溶液，容器上下端装有铂电极A和C，置于与容器表面垂直的匀强磁场中，开关K闭合前容器两侧P、Q两管中液面等高，闭合开关后(　　)A．M处钠离子浓度大于N处钠离子浓度B．M处氯离子浓度小于N处氯离子浓度C．M处电势高于N处电势D．P管中液面高于Q管中液面解析：选AD　依据正离子的定向移动方向与电流方向相同，而负离子移动方向与电流方向相反，根据左手定则可知，正、负离子均向M处偏转，因此电势相等，故A正确，B、C错误；当开关闭合时，液体中有从A到C方向的电流，根据左手定则可知，液体将受到向M的安培力作用，在液面内部将产生压强，因此P管中的液面将比Q管中的高，故D正确。2．电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲。永久磁铁的左右两侧分别为N、S极，开启电源时，在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙。随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压，已知霍尔电压与车速关系如图丙所示。以下关于“霍尔转把”叙述正确的是(　　)A．为提高控制的灵敏度，可改变永久磁铁的上、下端分别为N、S极B．按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套)，车速将变慢C．图乙中从霍尔器件的前后面输出控制车速的霍尔电压D．若霍尔器件的上下面之间所加电压正负极性对调，将影响车速控制解析：选C　由于在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，当永久磁铁的上下端分别为N、S极时，磁场与电子的移动方向平行，则电子不受洛伦兹力作用，那么霍尔器件不能输出控制车速的电势差，故A错误；当按题图甲顺时针转动把手，导致霍尔器件周围的磁场增强，那么霍尔器件输出控制车速的电势差增大，因此车速变快，故B错误；根据题意，结合题图乙的示意图，可知永久磁铁的磁感线从霍尔器件左、右侧面垂直穿过，因此从霍尔器件前后面输出控制车速的电势差，故C正确；当霍尔器件的上下面之间所加电压正负极性对调，从霍尔器件输出控制车速的电势差正负号相反，但由题图丙可知，不会影响车速控制，故D错误。突破点(三)　电容式传感器的分类电容式传感器就是把非电学量转化为电容这一电学量。由公式C＝可得电容式传感器有三类：(1)变极距式；(2)变面积式；(3)变介质式。[题点全练]1．[多选]传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示是一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上时，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接成闭合电路，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不发生变化解析：选BC　当F向上压膜片电极时，电容器两极板间距离减小，由电容的决定式C＝得到，电容器的电容将增大，故A错误，B正确；当F变化时，电容变化，而极板间电压不变，由Q＝CU，可知带电荷量Q发生变化，电容器将发生充、放电现象，回路中有电流，电流计有示数，反之，电流计有示数时，压力F必发生变化。故C正确，D错误。2．传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以及家庭生活等各种领域。如下图所示为几种电容式传感器，其中通过改变电容器两极板间距离而引起电容变化的是(　　)解析：选C　选项A是通过改变电介质，来改变电容器的电容，故A错误；选项B中电容器的一个极板是金属芯线，另一个极板是导电液，故是通过改变电容器两极间正对面积而引起电容变化的，故B错误；选项C是通过改变极板间的距离，改变电容器的电容，故C正确；选项D是通过转动动片改变正对面积，改变电容器的电容，故D错误。突破点(四)　应变片和双金属片的区别应变片多用半导体材料制成的，当外力越大时，弯曲形变越大，上下表面的阻值变化就越大，如果保证通过应变片的电流恒定，那么上下表面的电压差就越大，传感器输出的就是电压差。双金属片应用的是不同金属的受热膨胀系数不同，从而达到控制电路通断的目的。[题点全练]1．[多选]关于电子秤中应变式力传感器，下列说法中正确的是(　　)A．应变片是由导体材料制成的B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之电阻变小C．传感器输出的是应变片上的电压D．外力越大，输出的电压差值也越大解析：选BD　电子秤中的应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成，故A错误；当应变片的表面拉伸时，电阻变大，故B正确；如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出，故C错误；力F越大，输出的电压差值也就越大，故D正确。2．[多选](2018·南通模拟)如图是某电子秤的原理图，人只要站在踏板上，仪表G就能显示人的体重，踏板下面的传感器R实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻，显示体重的仪表G实质是理想电流表，如果不计踏板的质量，电阻R随人的体重G变化的函数关系式为R＝a－kG(a、k是常量，G和R的单位分别是N和Ω)。下列说法正确的是(　　)A．传感器R是一个力电传感器B．闭合电路测量时，电路中的电流随人的体重均匀变化C．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的零刻度处D．如果要扩大电子秤的量程，滑动变阻器R′接入电路中的电阻应调大解析：选AD　R是将压力信号转换成电信号的传感器，即力电传感器，故A正确；闭合电路测量时，电路中的电流：I＝，显然与人的体重不成线性关系，故B错误；当重力为零时，电流最小，但不为零，故C错误；由Ig＝可知，kGm＝a＋r＋R′－，因此变阻器接入电路中的电阻调大，可以测量的人的最大体重增大，故D正确。