高二物理第六章 传感器1~2节人教实验版知识精讲

高二物理第六章 传感器1~2节人教实验版知识精讲

高二物理第六章 传感器1~2节人教实验版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 第六章 传感器1~2节 ‎［知识要点］‎ ‎1. 知道传感器的作用是将非电学量转换成电学量，并理解其技术意义。‎ ‎2. 了解制作传感器的常用元件的特征。‎ ‎3. 了解传感器的具体应用实例。‎ 二. 重点、难点：‎ ‎（一）传感器 ‎1. 传感器原理 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，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如图所示．‎ ‎2. 光敏电阻 ‎（1）光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．‎ ‎（2）光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．‎ 光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，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．‎ ‎3. 热敏电阻和金属热电阻 ‎（1）热敏电阻 指用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显．如下图中的（1）为某一热敏电阻的电阻——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，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻．如上图中的（2）为金属导线电阻——温度特性曲线．‎ 相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。‎ ‎4. 霍耳元件 ‎（1）如图所示，厚度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当恒定电流I通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍耳效应．在这个矩形半导体上制作四个电极EFMN就成为一个霍耳元件，能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．‎ ‎（2）霍耳电压 ‎ ‎①其中k为比例系数，称为霍耳系数，其大小与薄片的材料有关．‎ ‎②一个霍耳元件的d、k为定值，再保持I恒定，则的变化就与B成正比，因此霍耳元件，又称磁敏元件．‎ ‎（3）霍耳元件的工作原理 霍耳元件就是利用霍耳效应来设计的。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EF方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U，设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向为l2。薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场，带电粒子同时受到电场力作用。当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒定。‎ 再根据电流的微观解释 整体得：‎ 令 其中n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量。‎ 则有 可见，U与B成正比这就是为什么霍耳元件能把磁学量转换成电学量的原因。‎ 二. 传感器的应用 ‎1、传感器的一般应用模式 传感器是将所感受到的物理量（如力、热、光等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件．其工作过程是：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量，一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如下图所示．‎ 传感器应用的一般模式：‎ ‎2、力传感器的应用——电子秤 ‎（1）组成：由金属架和应变片组成．‎ ‎（2）工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定。在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大，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．外力越大．输出的电压差值也就越大．‎ ‎3、声传感器的应用——话筒 ‎（1）动圈式话筒的原理 话筒是把声音转变为电信号的装置．下图是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的．当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动．下图话筒的原理图音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）．感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定．这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音．‎ ‎（2）电容式话筒的原理：‎ 如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压．其优点是保真度好．‎ ‎（3）驻极体话筒 ‎①极化现象：将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象．‎ ‎②驻极体：某些电介质在电场中被极化后．去掉外加电场，仍然会保持被极化的状态．这种材料称为驻极体．‎ ‎③原理：同电容式话筒．只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜．‎ ‎④特点：体积小．重量轻，价格便宜，灵敏度高．工作电压低，只需3～6V．‎ ‎4、温度传感器的应用——电熨斗 由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制．‎ ‎（1）电熨斗的构造：如下图所示．‎ ‎（2）电熨斗的自动控温原理 其内部装有双金属片温度传感器，如上图所示．‎ 常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小．则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．‎ 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度。这是如何利用调温旋钮来实现的？‎ 常温下，上、下触点应当接触，当温度过高时，双金属片的膨胀系数不同，上层金属的膨胀系数大于下层膨胀系数，上层金属向下弯曲的厉害，从而使上、下触点分离。‎ 通过调温旋钮来调节升降螺丝的升降来实现不同温度的设定。如需设定的温度较高，则应使升降螺丝下降；反之，升高。‎ ‎5、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，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流计、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大。电流计有示数，则压力F发生了变化（如图所示）。‎ ‎【典型例题】‎ 例1. 如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往R上擦一些酒精，表针将向 （填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向 （填“左”或“右”）移动．‎ 解析：若往R上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻R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R温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．‎ 答案：左 右 ‎【特别提示】（1）热敏电阻的阻值随温度的变化而变化 阻值随温度的升高而增大的我们称之为正温度系数热敏电阻．（PTC）‎ 阻值随温度的升高而减小的我们称之为负温度系数热敏电阻．（NTC）‎ ‎（2）欧姆表的表盘刻度最右侧为O，最左侧为最大值．‎ 例2. 如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是 A. 当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压 B. 当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C. 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D. 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 解析：当光照射到光敏电阻R1上时，R1电阻减小，电路中电流增大，R2两端电压升高，信号处理系统得到高电压。计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而达到自动计数目的，由以上分析选项A、C正确．‎ 答案：AC ‎【特别提示】光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小．‎ 例3. 如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图．利用电压表（内电阻很大）的示数来指示物体的质量．托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计．滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表的示数为零．设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势E，内阻为r，限流电阻为R。．弹簧的劲度系数为k．若不计一切摩擦和其他阻力，‎ ‎（1）求出电压表示数与所称物体质量m的关系式为＝ ；‎ ‎（2）由（1）的计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于制作刻度．为使电压表示数与待测物体质量成正比。请利用原有器材进行改进，在上图的基础上完成改进后的电路原理图，并得出电压表示数与待测物体质量m的关系式为＝ ．‎ 解析：（1）由胡克定律知，R连入电路中的有效电阻，根据闭合电路的欧姆定律可知：‎ ‎，又 ‎（2）改进后的电路图所图的示。‎ 答案：（1）‎ ‎（2）‎ ‎【特别提示】在有关力电传感器的计算中必然涉及电路计算，注意闭合电路欧姆定律及分压原理的应用．‎ 例4. 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图甲是话筒原理图，图乙是录音机的录音、放音原理图，由图可知 A. 话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感生电流 B. 录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感生电流 C. 录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 。‎ D. 录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 解析：话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流．A正确．录音时．话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，D正确．磁带在放音时通过变化的磁场使放音头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，B正确．‎ 答案：ABD ‎【特别提示】搞清声传感器原理是关键．‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1、如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ）‎ A. R1两端的电压增大 B. 电流表的示数增大 C. 小灯泡的亮度变强 D. 小灯泡的亮度变弱 ‎2、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. R2中电流减小 C. 小灯泡的功率增大 D. 电路的路端电压增大 ‎3、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是 （ ）‎ A. 置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻 B. 置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻 C. 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻 D. 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻 ‎4、图是霍耳元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍耳系数，对于一个霍耳元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证随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耳元件的工作面，将变大 B. 在测定地球两极的磁场强弱时，霍耳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，霍耳元件的工作面应保持水平 D. 改变磁感线与霍耳元件工作面的夹角，将发生变化 ‎5、关于电子秤中应变力传感器的说法正确的是 （ ）‎ A. 应变片是由导体材料制成 B. 当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，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 ‎6、惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计，加速度计的构造原理的示意图如图所示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连；两弹簧的另一端与固定壁相连．滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导，设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离0点的距离为s，则这段时间内导弹的加速度 （ ）‎ A. 方向向左，大小为 B. 方向向右，大小为 C. 方向向左，大小为2‎ D. 方向向右，大小为2‎ ‎7、唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时．就将声音信号转变为电信号．下列说法中正确的是 （ ）‎ A. 该传感器是根据电流的磁效应工作的 B. 该传感器是根据电磁感应原理工作的 C. 膜片振动时，穿过线圈的磁通量不变 D. 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 ‎8、温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中．它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的．如图甲所示，电源的电动势E＝9V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻．其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1=2mA；当电流表的示数I2=3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？‎ ‎9、如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L。两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动．弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为K，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g．求：‎ ‎（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1．‎ ‎（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2．‎ ‎（3）在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2问的电压U之间的函数关系式．‎ ‎【试题答案】‎ ‎1、C 2、ABC 3、AC 4、ABD 5、BD 6、D 7、B 8、120℃‎ ‎9、1） 2） 3） ‎