版选修3_2.doc
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1、1第 1 节 传感器及其工作原理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1定义:能够感受力、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,或转换为电路的通断的元件2非电学量转换为电学量的意义:把非电学量转换为电学量,可以方便地进行测量、传输、处理和控制二、光敏电阻1特点:光照越强,电阻越小2原理:无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好(载流子:电路做定向移动形成电流的微粒)3作用
2、:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量三、热敏电阻和金属热电阻氧化锰热敏电阻 金属热电阻特点 电阻率随温度的升高而减小 电阻率随温度升高而增大制作材料 半导体 金属优点 灵敏度好 化学稳定性好,测温范围大作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量四、霍尔元件1构造:很小的矩形半导体薄片上,制作四个电极 E、 F、 M、 N.2霍尔电压:如图所示, E、 F 间通入恒定电流 I,同时外加与薄片垂直的磁场 B,则M、 N 间出现霍尔电压 UH, UH k IBd3作用:把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量2判一判 (1)有光照射时,光敏电阻的阻值变大( )(2)热敏电阻在温度升高时阻值变
3、小( )(3)金属热电阻在温度升高时阻值变小( )(4)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关( )提示:(1) (2) (3) (4)做一做 (多选)下列有关传感器叙述,正确的是( )A交警使用的酒精测试仪是一种物理传感器,是靠吹气的压力来工作B红外线传感器是靠接收发热物体发出的红外线来工作C红外线传感器就是温度传感器D传感器是将非电学量转换成电学量的一种元件提示:选 BD.交警使用的酒精测试仪不是靠吹气的压力来工作,而是依靠酒精浓度的变化改变电阻来工作,故 A 项错误红外线传感器是靠接收发热物体发出的红外线来工作,故 B 项正确红外线传感器就是光传感器,故 C 项错误传感器是将非电学量转换成电学
4、量的一种元件,故 D 项正确想一想 为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器,它的输入、输出信号各是什么?提示:它是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号传感器的原理和应用1传感器的组成和工作流程(1)传感器的组成敏感元件:相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的转换元件:是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件转换电路:将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量,如电压
5、、电流、电阻等(2)传感器的工作流程 非 电学 量 敏 感元 件 转 换元 件 转 换电 路 电 学量2传感器的原理:传感器感受的通常是非电学量,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等这些输出的信号是非常微3弱的,通常需要经过放大后,再传送给控制系统产生各种控制动作3在理解传感器的原理时要注意以下三点第一,明确传感器所采用的核心部分是什么第二,传感器的输入量是什么第三,传感器的输出量是什么如图所示(1)图甲是_的电容式传感器,原理是_.(2)图乙是_的电容式传感器,原理是_.(3)图丙是_的电容式传感器,原理是_.(4)图丁是_的电容式传感器,原理
6、是_.思路点拨 电容式传感器的分析依据是平行板电容器电容的决定式 C . rS4 kd解析 (1)图甲是角度的电容式传感器,其原理是当动片旋进的角度不同时,电容器的正对面积不同,电容不同(2)图乙是液体的电容式传感器,其原理是导电液体相当于电容器的一个极板,当液体深度发生改变时,相当于两极板的正对面积发生改变,电容也随之改变(3)图丙是压力的电容式传感器,其原理是当作用在可动电极的压力改变时,金属片的形变也发生改变,两极板间的距离发生改变,电容也发生改变(4)图丁是位移的电容式传感器,其原理是电介质板和物体固定在一起,当物体发生一小段位移时,插入两极板间的电介质发生变化,导致电容发生变化4答案
7、 见解析电容式传感器中的电容 C ,电容的大小由 r、 S、 d 三个量决定,当其中一个 rS4 kd量变化时,电容变化,引起串并联电路中电流或电压发生变化分清哪个量发生变化引起了电容的变化,是解决电容式传感器问题的关键 (2018南昌高二检测)如图所示是电容式话筒的示意图,它是利用电容制作的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极,在两极间加一电压 U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,使声音信号被话筒转化为电信号,其中导致电容变化的原因是电容器两板间的( )A距离变化 B正对面积变化C介质变化 D电压
8、变化解析:选 A.平行板电容器的电容 C rS/d,本题中的介质没有变化,正对面积也没有变化,引起电容变化的因素是板间距离 d.故选 A.对几种传感器元件特性的理解1光敏电阻的导电特性:光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,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,于是导电性能明显增强2热敏电阻和金属热电阻的特点(1)热敏电阻:指用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻如图线所示为某热敏电阻的电阻温度特性曲线(2)金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线所示,这样的电阻也可以制作温度传感器热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为
9、电阻这个电学量,但相比而言,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好3霍尔元件(1)电场的产生:运动的载流子在洛伦兹力作用下在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场(2)电压的形成:横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛5伦兹力达到平衡时,导体板两侧会形成稳定的电压: UH k .UH与 B 成正比是霍尔元件能IBd把磁学量转换成电学量的原因命题视角 1 光敏电阻的特性(多选)(2018苏州中学高二检测)如图所示, R1、 R2为定值电阻,L 为小灯泡,R3为光敏电阻,当照射光强度增大时( )A电压表的示数增大B R
10、2中电流强度减小C小灯泡的功率增大D电路的路端电压增大解析 光的强度是被测量,光敏电阻 R3为光敏感元件,同时也是转换器件当光强度增大时, R3阻值减小,外电路电阻随 R3的减小而减小, 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,A 项正确,D 项错误;由路端电压减小,而 R1两端电压增大,可知 R2两端电压必减小,则 R2中电流减小,B 项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,C 项正确答案 ABC命题视角 2 热敏电阻的特性如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图,其中 R2为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而
11、减小)制成的传感器,电流表为值班室的显示器, a、 b 之间接报警器当传感器 R2所在处出现火情时,显示器的电流 I、报警器两端的电压 U 的变化情况是( )A I 变大、 U 变大 B I 变小、 U 变小C I 变小、 U 变大 D I 变大、 U 变小思路点拨 解答本题时可按以下思路分析:解析 当 R2处出现火情时, R2接入电路的电阻将减小,则此时电路中的总电阻减6小,由闭合电路欧姆定律可知:外电路电压将减小, U 减小,电路中的总电流增大,所以R1上的电压增大,显示器两端的电压将减小,电流 I 减小,B 正确答案 B命题视角 3 霍尔元件的特性如图所示,电流 I 流过长方体金属块,金
12、属块宽度为d,高为 h,有一磁感应强度为 B 的匀强磁场,垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为 n,试问金属块上、下表面哪面电势高?电势差是多少?思路点拨 (1)金属导体中自由电荷是什么?(2)自由电荷在图示磁场中所受洛伦兹力方向如何?解析 因为载流子是自由电子,根据左手定则,让磁感线垂直穿过手心,四指指向电子运动的反方向(即电流方向),拇指指向即电子受洛伦兹力的方向,则上表面积累负电荷,下表面就多余等量的正电荷,即下表面的电势高当电场力与洛伦兹力平衡时,上、下表面的电压稳定,即eE 场 evBeUh又知导体中电流 I nevS nevhd联立方程得 U .IBned答案 下表面的电
13、势高 IBned(1)解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时,首先要明确两种元件阻值大小的变化规律,然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况(2)在霍尔现象中要明确定向移动的电荷是哪种电荷,才能分清电势的高低,负电荷向某一方向定向移动与正电荷向相反方向定向移动不等效 【通关练习】1(多选)数码相机和数码摄像机在人们生活中的应用越来越普及在数码摄像器材中,使用了一种新型的敏感元件,叫电荷耦合器(CCD),下列关于 CCD 的说法正确的是( )A它能将光信号转换成模拟电信号B它能将模拟电信号转换为数字电信号C它是一种硅半导
14、体芯片,上面布有数百万个光敏元件D它是一种硅半导体芯片,上面布有数百万个热敏元件解析:选 AC.CCD 是一种硅半导体芯片,上面布有数百万个光敏元件,每个光敏元件都7把它所受到的光转换成相应量的电荷,于是整块 CCD 就把一幅图象的光信号转换成相应的模拟电信号,然后再通过 A/D 转换器转换为数字信号,以便于计算机处理,故选项 A、C 正确2(多选)如图所示是用光敏电阻 LDR 和灯泡制成的一种简易水污染指示器,下列说法中正确的是( )A严重污染时,LDR 是高电阻B轻度污染时,LDR 是高电阻C无论污染程度如何,LDR 的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定D该仪器的使用会因为白天和晚上受到
15、影响解析:选 AD.严重污染时,透过污水照到 LDR 上的光线较少,LDR 电阻较大,A 对,B错;LDR 由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,C 错;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响 LDR 的电阻,D 对随堂检测12007 年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家,以表彰他们发现“巨磁电阻效应” 基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术,被认为是纳米技术的第一次真正应用在下列有关其他电阻应用的说法中,错误的是( )A热敏电阻可应用于温度测控装置中B光敏电阻是一种光电传感器C电阻丝可应用于电热设备中D电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用解析:选 D.热敏电阻
16、对温度很敏感,光敏电阻对光照很敏感,电阻丝可用于电加热,A、B、C 正确;交流电、直流电均可通过电阻,电阻对它们均可产生阻碍作用,D 错误2许多饮水机,可以保证出水温度恒定,采取的方法是( )A持续加温B设定程式,固定各次加温时间及加热时间间隔C水温低于设定温度时加热,达到设定温度时,停止加热D人工控制加温按钮解析:选 C.饮水机温度控制系统以调节饮水机温度为目的,其输入参数主要是水温信号和设置的设定温度输出信号主要是温度显示、声光报警和执行加热工作时传感器将温度传给单片机,当水温低于设定温度时,单片机控制加热模块加热,当温度高于设定温8度,继电器断开,加热停止从而实现温度控制的目标. 故选
17、C.3(多选)如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图图中油量表由电流表改装而成,金属杠杆的一端接浮标,另一端触点 O 接滑动变阻器 R.当油箱内油面下降时,下列分析正确的有( )A触点 O 向下滑动B触点 O 向上滑动C电路中的电流增大了D电路中的电流减小了解析:选 BD.当滑箱内油面下降时,浮标下降,由杠杆可以看出触点 O 向上滑动,变阻器 R 的阻值变大,电流减小,所以选项 A、C 错误,B、D 正确4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,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
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