1.知道什么是傳感器,理解傳感器的工作原理。(物理觀念)2.掌握制作傳感器的常用元件:光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應(yīng)變片的基本特性及工作原理。(物理觀念)3.體會傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的意義。(科學(xué)思維)4.了解傳感器在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。(科學(xué)思維)
基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)
重難探究·能力素養(yǎng)全提升
學(xué)以致用·隨堂檢測全達標
一、神奇的傳感器傳感器能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是　　　　、　　　等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)換為　　　　　　。把　　　　　轉(zhuǎn)換為　　　　,可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制。?二、傳感器的種類根據(jù)被測量的不同,可分為　　　、　　、　　　、　　　、　　　　　、　　　　等傳感器;根據(jù)具體工作原理的不同,可分為　　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　　等傳感器。?
三、傳感器的組成與應(yīng)用模式
四、光敏電阻1.光敏電阻是　　　　　　　　中常見的光敏元件。?2.硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料,無光照時,載流子　　　　,導(dǎo)電性能　　;隨著光照的增強,載流子　　　　,導(dǎo)電性變　　。?3.光敏電阻能夠把　　　　　　這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為　　　這個電學(xué)量。?
五、金屬熱電阻和熱敏電阻1.溫度能明顯地影響金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能?！? 　　　　和　　　　　　　　就是傳感器中常見的感知溫度的敏感元件。?2.金屬的電阻率隨溫度的升高而　　　　,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為　　　　　　。?3.金屬熱電阻和熱敏電阻都能夠把　　　　這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為_________　　　　這個電學(xué)量。?
六、電阻應(yīng)變片1.金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械形變(伸長或縮短)時,其電阻隨著它所受機械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。2.除了金屬電阻應(yīng)變片外,常用的電阻應(yīng)變片還有半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片,它的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的　　　　　　　　。?3.電阻應(yīng)變片能夠把　　　　　　　這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為　　　　這個電學(xué)量。?4.光敏電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片等電阻式傳感器的工作共性是通過測量　　　　的變化來確定外界非電學(xué)量的變化。?
情境鏈接火災(zāi)探測器的核心元件為光敏電阻,當煙霧在空氣中的濃度超過設(shè)定值時,可以觸發(fā)報警,并對外發(fā)出聲光報警信號。此時傳感器是將什么量進行轉(zhuǎn)化的?
提示 傳感器是將煙霧產(chǎn)生的光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電路的電學(xué)量,使電路接通,從而對外發(fā)出聲光報警信號。
教材拓展為解決樓道里的照明問題,在樓道內(nèi)安裝一個傳感器與控制電燈的電路連接。當樓道內(nèi)有人走動而發(fā)出聲響時,電燈即與電源接通而發(fā)光,這種傳感器是什么傳感器,它的輸入、輸出信號各是什么?
提示 是聲電傳感器,輸入的是聲信號,輸出的是電信號。
易錯辨析(1)金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力增強,它的化學(xué)穩(wěn)定性好,測量范圍大。(　　)(2)霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無關(guān)。(　　)(3)霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個電學(xué)量。(　　)(4)光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化,光照越強電阻越大。(　　)
提示 金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力減弱。
提示 霍爾電壓與組成霍爾元件的材料有關(guān)。
提示 光敏電阻的阻值隨光照的強弱而變化,光照越強電阻越小。
探究點一　對傳感器的認識
干簧管結(jié)構(gòu):如圖甲所示,它只是玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片。將干簧管接入圖乙電路,當磁鐵靠近干簧管時,會發(fā)生什么現(xiàn)象,為什么?干簧管的作用是什么?
要點提示 燈泡會亮,因為當磁鐵靠近干簧管時,兩個簧片被磁化而接通;干簧管起到開關(guān)的作用,是一種能夠感知磁場的傳感器。
1.傳感器的工作流程
2.傳感器的組成(1)敏感元件相當于人的感覺器官,是傳感器的核心部分,是利用材料的某種敏感效應(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。(2)轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件輸出的,與被測物理量成一定關(guān)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件。(3)轉(zhuǎn)換電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量,如電壓、電流、電阻等。
【例1】 全面了解汽車的運行狀態(tài)(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一,為模仿汽車油表原理,某同學(xué)自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。如圖乙所示,其中電源電壓保持不變,R是滑動變阻器,它的金屬滑片是金屬桿的一端,R'是定值電阻,R'?R。該同學(xué)在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出),通過觀察電壓表示數(shù),可以了解油量情況,你認為電壓表應(yīng)該接在圖中的　　　　兩點之間,請按照你的接法回答:當油箱中油量減少時,電壓表的示數(shù)將　　　　(選填“增大”或“減小”)。?
解析 由題圖可知當油箱內(nèi)液面高度變化時,R的金屬滑片將會移動,從而引起R兩端電壓的變化,且當R'?R時,UR=IR,可視為UR與R成正比,所以電壓表應(yīng)接在b、c兩點之間;當油量減少時,R的金屬滑片上移,接入電路的電阻增大,電壓表示數(shù)將增大。
1.力敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小,有位同學(xué)利用力敏電阻設(shè)計了判斷小車運動狀態(tài)的裝置,其工作原理如圖甲所示,將力敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上,中間放置一個絕緣重球。小車向右做直線運動過程中,電流表示數(shù)如圖乙所示,下列判斷正確的是(　　)A.從t1到t2時間內(nèi),小車做勻速直線運動B.從t1到t2時間內(nèi),小車做勻加速直線運動C.從t2到t3時間內(nèi),小車做勻速直線運動D.從t2到t3時間內(nèi),小車做勻加速直線運動
解析 在0~t1內(nèi),I恒定,力敏電阻阻值不變,由小球的受力不變可知,小車可能做勻速或勻加速直線運動,在t1~t2內(nèi),I變大,力敏電阻阻值變小,壓力變大,小車做變加速運動,A、B均錯誤;在t2~t3內(nèi),I不變,壓力恒定,小車做勻加速直線運動,C錯誤,D正確。
探究點二　對敏感元件的認識
在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后,就可以準確地得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量,如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器示意圖,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻。此光電計數(shù)器的基本工作原理是什么?
要點提示 當光被產(chǎn)品擋住時,R1電阻增大,電路中電流減小,R2兩端電壓減小,信號處理系統(tǒng)得到低電壓。每通過一個產(chǎn)品就獲得一次低電壓,以此計數(shù)。
1.光敏電阻的特點及工作原理(1)當半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時,會有更多的電子獲得能量成為自由電子,同時也形成更多的空穴,于是導(dǎo)電能力明顯增強。(2)光敏電阻是用半導(dǎo)體材料(如硫化鎘)制成的。它的特點是光照越強,電阻越小。它能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。
2.熱敏電阻和金屬熱電阻的特點(1)熱敏電阻:用半導(dǎo)體材料制成。(2)金屬熱電阻:金屬的電阻率隨溫度升高而增大,利用這一特性,金屬絲也可以制作成溫度傳感器,稱為熱電阻。
(3)熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別
3.霍爾元件的工作原理與特點(1)霍爾元件的工作原理:E、F間通入恒定的電流I,同時外加與薄片垂直的磁場B時,薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下,向著與電流和磁場都垂直的方向漂移,使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)。
(2)霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時,載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡。
(3)霍爾電壓:UH=k (d為薄片的厚度,k為霍爾系數(shù))。當電流I一定時,UH與B成正比,所以霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。
【例2】 傳感器已廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活中,下列關(guān)于傳感器的說法正確的是(　　)A.火警報警器使用了壓力傳感器B.冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器C.商場里的自動門使用了光傳感器D.夜間自動打開的路燈使用了溫度傳感器
解析 火警報警器使用了溫度傳感器,故A錯誤;冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器,故B正確;一般人體都有恒定的體溫,會發(fā)出特定波長的紅外線,被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的,人走向門口時,門會自動打開,是因為安裝了紅外線傳感器,從而能感知紅外線,導(dǎo)致門被打開,故C錯誤;燈要求夜晚亮、白天熄,而白天有光,黑夜沒有光,所以電路中光傳感器導(dǎo)致電阻變化,實現(xiàn)自動控制,因此是利用光電傳感器,故D錯誤。
2.如圖所示,R1為定值電阻,R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,L為小燈泡,當溫度降低時(　　)A.R1兩端的電壓增大B.電流表的示數(shù)增大C.小燈泡的亮度變強D.小燈泡的亮度變?nèi)?br/>解析 R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián),與電源構(gòu)成閉合電路,當溫度降低時,熱敏電阻R2阻值增大,外電路電阻增大,電流表讀數(shù)減小,燈泡L兩端的電壓增大,燈泡的亮度變強,R1兩端的電壓減小,故只有C正確。
1.(對傳感器的認識)非觸摸式自動感應(yīng)水龍頭如圖所示,其應(yīng)用的傳感器是(　　)A.壓力傳感器B.光電傳感器C.生物傳感器D.溫度傳感器
解析 自動感應(yīng)水龍頭應(yīng)用的是光電傳感器。
2.(熱敏電阻電路動態(tài)分析)如圖所示,RT為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,R為定值電阻。若往RT上擦些酒精,在環(huán)境溫度不變的情況下,關(guān)于電壓表示數(shù)的變化情況,下列說法正確的是(　　)A.變大B.變小C.先變大再變小最后不變D.先變小再變大最后不變
解析 往RT上擦酒精后,酒精蒸發(fā)吸熱,熱敏電阻RT溫度降低,電阻值增大,根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點知,電壓表示數(shù)變小。當酒精蒸發(fā)完畢后,RT的溫度逐漸升高到環(huán)境溫度后不變,所以熱敏電阻的阻值逐漸變小,最后不變,故電壓表的示數(shù)將逐漸變大,最后不變。所以選項D正確。
3.(熱敏電阻電路動態(tài)分析)(多選)在溫控電路中,通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制。如圖所示電路,R1為定值電阻,R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小),C為電容器。當環(huán)境溫度降低時(　　)A.電容器C的帶電荷量增大B.電壓表的讀數(shù)增大C.電容器C兩板間的電場強度減小D.R1消耗的功率增大
解析 當環(huán)境溫度降低時,R2變大,電路的總電阻變大,由I= 知I變小,又U=E-Ir,電壓表的讀數(shù)U增大,B正確;又由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1變小,D錯誤;電容器兩板間的電壓U2=U-U1,U1=IR1,可知U1變小,U2變大,由電場強度E'= ,Q=CU2可知Q、E'都增大,故A正確,C錯誤。
4.(霍爾元件)(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示,一塊通電的銅板放在磁場中,銅板的前、后板面垂直于磁場,板內(nèi)通有如圖方向的電流,a、b是銅板上、下邊緣的兩點,則(　　)A.電勢φa>φbB.電勢φb>φaC.B一定,電流增大時,|φa-φb|增大D.其他條件不變,將銅板改為NaCl溶液時,電勢結(jié)果仍然一樣
解析 銅板中的自由電荷是電子,電子定向移動的方向與電流的方向相反,由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向b側(cè)偏轉(zhuǎn),所以φa>φb,A正確,B錯誤;因|φa-φb|=k ,所以B一定,電流增大時,|φa-φb|增大,C正確;若將銅板改為NaCl溶液,溶液中的正、負離子均向b側(cè)偏轉(zhuǎn),|φa-φb|=0,即不產(chǎn)生霍爾效應(yīng),故D錯誤。
5.(霍爾元件)(多選)如圖所示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(shù),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。以下說法正確的是(工作面是指較大的平面)(　　 )
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(yīng)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(yīng)保持水平D.改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,UH將發(fā)生變化

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2 常見傳感器的工作原理及應(yīng)用

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