第六章傳感器第一節傳感器及其工作原理【學習目標】1、了解什么是傳感器，知道非電學量轉化為電學量的技術意義；2、知道傳感器中常見的三種敏感元件光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件及其它們的工作原理。3、了解傳感器的應用。4、通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。【重點、難點】理解并掌握傳感器的三種常見敏感元件的工作原理。分析并設計傳感器的應用電路。預習案【自主學習】1、傳感器是能夠把易感受的力、溫度、光、聲、化學成分等__________按照一定的規律轉換為容易進行測量，傳輸處理和控制的電壓、電流等____________、或轉換為電路的______的一類元件．2、光敏電阻的特性：____________________________，光敏電阻能夠把______________這個光學量轉換為______這個電學量．3、金屬熱電阻的電阻率隨溫度的升高而______，熱敏電阻的電阻率隨溫度的升高而______，金屬熱電阻和熱敏電阻都可以制作______傳感器．與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的______________，測溫范圍________，但________較差．4、如圖1所示，E、F間通入恒定電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B，則M、N間出現霍爾電壓UH，UH＝______________.式中______為薄片的厚度，______為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關．圖15．關于干簧管，下列說法正確的是()A．干簧管接入電路中相當于電阻的作用B．干簧管是根據熱脹冷縮的原理制成的C．干簧管接入電路中相當于開關的作用D．干簧管是作為電控元件以實現自動控制的6．霍爾元件能轉換哪個物理量()A．把溫度這個熱學量轉換成電阻這個電學量B．把磁感應強度這個磁學量轉換成電壓這個電學量C．把力這個力學量轉換成電壓這個電學量D．把光照強弱這個光學量轉換成電阻這個電學量【學始于疑】探究案【合作探究】（一）傳感器1、概念：_____________________________________________。2、原理圖：3、三種常見的敏感元件（1）光敏電阻=1\*GB3①材料及構造=2\*GB3②工作原理=3\*GB3③功能：把__________（光學量）轉換為______（電學量）。（2）熱敏電阻和金屬熱電阻=1\*GB3①熱敏電阻a）材料b）特點c）功能：把_______轉換為_______（電學量）。d）分類：正溫度系數PTC熱敏電阻（特點）負溫度系數NTC熱敏電阻（特點）=2\*GB3②金屬熱電阻a）材料b）特點c）功能：把_______轉換為_______（電學量）。（3）霍爾元件=1\*GB3①材料及構造=2\*GB3②霍爾電壓：_________________________。推導：=3\*GB3③功能：把_________（磁學量）轉換為_______（電學量）。傳感器功能：能將力、溫度、光、聲、物質成分等_________轉化為______的元件。【課堂小結/本節知識網絡】【當堂檢測】1．知識點一光敏電阻1．如圖2所示，將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆分別與光敏電阻RG的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的中央．若用不透光的黑紙將RG包裹起來，表針將向________(填“左”或“右”)轉動；若用手電筒的光照射RG，表針將向________(填“左”或“右”)轉動．圖22．如圖3所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻．此光電計數器的基本工作原理是什么？圖3知識點二熱敏電阻和金屬熱電阻3．如圖4所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數的熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時()圖4A．R1兩端的電壓增大B．電流表的示數增大C．小燈泡的亮度變強D．小燈泡的亮度變弱4．如圖5所示為電阻R隨溫度T變化的圖線，下列說法中正確的是()圖5A．圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的B．圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導體材料制成的C．圖線1的材料化學穩定性好、測溫范圍大、靈敏度高D．圖線2的材料化學穩定性差、測溫范圍小、靈敏度高知識點三霍爾元件5．如圖6所示，有電流I流過長方體金屬塊，金屬塊寬為d，高為b，有一磁感應強度為B的勻強磁場垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內的自由電子數為n，問：金屬塊上、下表面哪面電勢高？電勢差是多少？圖66．圖7是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況．以下說法中正確的是(工作面是指較大的平面)()圖7A．將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大B．在測定地球兩極的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平C．在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平D．改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發生變化7．如圖8所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當照射光強度增大時()圖8A．電壓表的示數增大B．R2中電流減小C．小燈泡的功率增大D．電路的路端電壓增大8．如圖9所示是一火警報警裝置的部分電路示意圖，其中R2是半導體熱敏傳感器，它的電阻隨溫度升高而減小，a、b接報警器．當傳感器R2所在處出現火情時，電流表的電流I和a、b兩端兩壓U與出現火情前相比()圖9A．I變大，U變大B．I變小，U變小C．I變小，U變大D．I變大，U變小【課后鞏固】1．關于光敏電阻，下列說法正確的是（）A．光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量B．硫化鎘是一種半導體材料，無光照射時，載流子極少，導電性能不好C．硫化鎘是一種半導體材料，無光照射時，載流子較少，導電性能良好D．半導體材料的硫化鎘，隨著光照的增強，載流子增多，導電性能變好2．霍爾元件能轉換哪兩個量（）A．把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量B．把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量C．把力轉換為電壓這個電學量D．把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量３．如圖所示是測定位移的電容式傳感器，其工作原理是哪個量的變化，造成其電容的變化（）A．電介質進入極板的長度第3題B．兩極板間距第3題C．兩極板正對面積第4題R第4題R2R1R3４．如圖所示，Ｒ１、Ｒ２為定值電阻，Ｌ是小燈泡，Ｒ３為光敏電阻，當照射光強度增大時，（）A．電壓表的示數增大B．Ｒ２中電流減小C．小燈泡的功率增大第5題R第5題R3R4R1R25．如圖所示，Ｒ３是光敏電阻，當開關Ｓ閉合后在沒有光照射時，a、b兩點等電勢，當用光照射電阻Ｒ３時，則（）A．Ｒ３的電阻變小，a點電勢高于b點電勢B．Ｒ３的電阻變小，a點電勢低于b點電勢C．Ｒ３的電阻變小，a點電勢等于b點電勢D．Ｒ３的電阻變大，a點電勢低于b點電勢6．有一電學元件，溫度升高時電阻卻大幅度減小，則這種元件可能是（）A．金屬導體B．絕緣體C．半導體D．超導體7．如圖是觀察電阻值隨溫度變化情況示意圖。現把杯中的水由冷水變為熱水，關于歐姆表的讀數變化情況正確的是（）A．如果R為金屬熱電阻，讀數變大，且變化非常明顯B．如果R為金屬熱電阻，讀數變小，且變化不明顯第7題C．如果R為熱敏電阻（用半導體材料制作），讀數變化非常明顯第7題D．如果R為熱敏電阻（用半導體材料制作），讀數變化不明顯8．如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況。以下說法中正確的是（）A．將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大B．在測定地球兩極的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平第8題C．在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平第8題D．改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發生變化第9題9．如圖所示寬度為d，厚度為h的金屬板放在垂直于它的磁感應強度為B的勻強磁場中，當有電流I通過金屬板時，在金屬板上側面A和下側面間產生電勢差，這種現象叫霍爾效應，若金屬板內自由電子密度為n，則產生的電勢差U＝___________第9題【答案】自主學習：1．非電學量電學量通斷2．隨著光照的增強，載流子增多，導電性能變好光照強弱電阻3．增大減小溫度化學穩定性好大靈敏度4．keq\f(IB,d)dk5．CD[干簧管能感知磁場，是因為當兩個舌簧所處位置的磁場方向相同時，就會吸引，所以是做開關來使用，當磁場靠近或遠離的時候，就會實現閉合或斷開．]6．B[根據霍爾元件工作原理，載流子在洛倫茲力作用下漂移，形成霍爾電壓，UH＝keq\f(IB,d)，所以，它將磁感應強度這個磁學量轉換成電壓這個電學量，故B正確．]當堂檢測:1．左右解析光敏電阻受光照越強，電阻越小，所以將RG用不透光的黑紙包起來，電阻增大，指針左偏；若用手電筒的光照射RG，電阻減小，指針右偏．2．見解析解析當光被元件擋住時，光敏電阻的阻值R1增大，電路中電流減小，R2兩端電壓減小，信號處理系統得到低電壓，每通過一個元件就獲得一次低電壓，計數一次．點評當光照增強時，光敏電阻的阻值減小，光照減弱時，光敏電阻的阻值增大．即光照強弱的變化引起電路中電流和電壓的一系列變化．3．C[R2與燈L并聯后與R1串聯，與電源構成閉合電路，當溫度降低時，熱敏電阻R2的阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數變小，R1兩端電壓減小，燈L兩端電壓增大，燈泡亮度變強，故C正確，其余各項均錯．]點評熱敏電阻溫度升高，電阻減小；溫度降低，電阻增大．4．BD[熱敏電阻由半導體材料制成，電阻隨溫度升高而減小，且靈敏度高，金屬熱電阻隨溫度升高電阻增大，靈敏度不高，但測溫范圍大，化學性質穩定．故B、D正確．]點評1.熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值隨溫度的變化方向是相反的．熱敏電阻溫度升高，電阻減小，金屬熱電阻溫度升高，電阻增大．2．熱敏電阻隨溫度變化明顯．金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大．5．下表面電勢高eq\f(IB,ned)解析因為自由電荷為電子，故由左手定則可判定向上偏，則上表面聚集負電荷，下表面帶多余等量的正電荷，故下表面電勢高，設其穩定電壓為U.當運動電荷所受電場力與洛倫茲力平衡時，有eeq\f(U,b)＝evB，又因為導體中的電流I＝neSv＝nev·bd，故U＝eq\f(IB,ned).點評當電流在導體中流動時，運動電荷在洛倫茲力作用下，分別向導體上、下表面聚集，在導體中形成電場，其中上表面帶負電，電勢低，隨著正、負電荷不斷向下、上表面積累，電場增強，當運動電荷(Q)所受電場力與洛倫茲力平衡時，即QE＝QvB時，電荷將不再向上或向下偏轉，上、下表面間形成穩定電壓．6．ABD[根據公式UH＝keq\f(IB,d)可以看出，當磁極靠近霍爾元件的工作面時，B增大，UH將變大，選項A正確；在地球兩極附近，可以認為地磁場與水平面垂直，霍爾元件的工作面保持水平，故B正確．而在赤道上，地磁場與水平面平行．若霍爾元件的工作面保持水平，則無電壓產生，C錯誤；改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，相當于改變了霍爾系數k，故UH將發生變化，故D正確．]點評霍爾元件把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量，電壓與磁感應強度的關系為UH＝keq\f(IB,d).7．ABC[當光強度增大時，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時內電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數增大，A項正確，D項錯誤；由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項正確；結合干路電流增大知流過小