6.1 传感器及其工作原理-2021-2022学年高二物理精梳细讲 讲义（人教版选修3-2）

6.1传感器及其工作原理 【基础知识梳理】 知识点01 传感器及工作原理 1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、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． 【实例1】干簧管结构：如图1甲所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁铁靠近干簧管时： 　 图1 (1)会发生什么现象，为什么？ (2)干簧管的作用是什么？ 答案　(1)灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通． (2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器． 【总结】 1．传感器的原理 →→ 2．在分析传感器时要明确： (1)核心元件是什么； (2)是怎样将非电学量转化为电学量的； (3)是如何显示或控制开关的． 知识点02光敏电阻的特点及工作原理 1．当半导体材料(如单晶硅)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，于是导电能力明显增强． 2．光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的，它的特点是光照越强，电阻越小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量． 【实例2】在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图2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什么？ 图2 答案　当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次． 【总结】光敏电阻是由半导体材料制成的．它的阻值随光照强度的变化而变化，光照越强，电阻越小；光照越弱，电阻越大． 知识点03 热敏电阻和金属热电阻的特点 1．热敏电阻：用半导体材料制成．可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻． (1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大． (2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小． 2．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻． 【实例3】如图3所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．若在RT上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？ 图3 答案　由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，表针将向右偏． 【总结】 1．金属热电阻：金属导体的电阻，随温度的升高而增大． 2．热敏电阻(负温度系数)：用半导体材料制成，其阻值随温度升高而减小． 知识点04霍尔元件的特点 1．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡． 2．霍尔电压：UH＝k(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中UH的变化与B成正比，所以霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量． 【实例4】如图4所示，在矩形半导体薄片E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、N间会出现电压，称为霍尔电压UH. 图4 (1)分析为什么会出现电压； (2)试推导UH的表达式． 答案　(1)薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向偏转，使M、N间出现了电压． (2)设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向长度为l2，当载流子所受洛伦兹力与电场力平衡时，M、N间电势差达到稳定值． 即q＝qvB 再根据电流的微观表达式I＝nqvS，S＝l2d 整理得：UH＝ 令k＝，其中n为材料单位体积的载流子的个数，q为单个载流子的电荷量，它们均为常数． 则有UH＝k. 【总结】霍尔元件电势高低的判断方法：利用左手定则，即磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，拇指指的方向为载流子的受力方向，若载流子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面，若载流子是负电荷，则拇指所指的面为低电势面． 【例题讲解】 1．交通警察检测驾驶员是否酒后驾驶时，会让驾驶员朝检测器吹一口气。这种检测器使用的传感器是       （　　） A．声音传感器 B．电化学传感器 C．压力传感器 D．温度传感器 2．如图所示，水平的传送带上放一物体，物体下表面及传送带上表面均粗糙，导电性能良好的弹簧的右端与物体及滑动变阻器滑片相连，弹簧左端固定在墙壁上，不计滑片与滑动变阻器线圈间摩擦。当传送带如箭头方向运动且速度为v时，物体与传送带发生相对滑动，当传送带逐渐加速到时，物体受到的摩擦力和灯