人教版A版選修32 傳感器及其工作原理 作業(yè).docx

第六章 傳感器第1節(jié)傳感器及其工作原理要點(diǎn)一 熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別項(xiàng)目電阻導(dǎo)電原理電阻隨溫度變化優(yōu)點(diǎn)熱敏電阻自由電子和空穴等載流子靈敏度較好金屬熱電阻自由電子的定向移動(dòng)化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大要點(diǎn)二 霍爾元件的工作原理霍爾元件就是利用霍爾效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)的一個(gè)矩形霍爾材料薄片，在其前、后、左、右分別引出一個(gè)電極，如圖614所示，沿pq方向通入電流i，垂直于薄片加勻強(qiáng)磁場(chǎng)b，則在mn間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差u.設(shè)薄片厚度為d，pq方向長(zhǎng)度為l1，圖614mn方向?yàn)閘2.薄片中的帶電粒子即載流子受到磁場(chǎng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使n側(cè)與m側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，造成材料薄片內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)，載流子同時(shí)受到電場(chǎng)力作用當(dāng)磁場(chǎng)力與電場(chǎng)力平衡時(shí)，mn間電勢(shì)差達(dá)到恒定，qqvb.設(shè)一個(gè)載流子帶電荷量為e，根據(jù)電流的微觀解釋inesv.整理后，得u.令k，因?yàn)閚為材料單位體積的帶電粒子個(gè)數(shù)，e為單個(gè)帶電粒子的電荷量，它們均為常數(shù)，所以u(píng)k.u與b成正比，這就是為什么霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原因了注意載流子根據(jù)霍爾材料的不同而不同，其中金屬導(dǎo)體的載流子為電子，而半導(dǎo)體的載流子因材料不同而不同一、熱敏電阻和金屬熱電阻對(duì)比1熱敏電阻或金屬熱電阻能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量，它們有什么區(qū)別？從溫度變化對(duì)導(dǎo)電性能的影響上來(lái)講，溫度升高，熱敏電阻減??；金屬熱電阻增大從化學(xué)穩(wěn)定性上講，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好2熱敏電阻的用途十分廣泛，主要應(yīng)用于什么地方？(1)利用電阻的溫度特性來(lái)測(cè)量溫度、控制溫度和元件、器件、電路的溫度補(bǔ)償(2)利用非線性特性完成穩(wěn)壓、限幅、開(kāi)關(guān)、過(guò)流保護(hù)作用(3)利用不同介質(zhì)中熱耗散特征的差異測(cè)量流量、流速、液面、熱導(dǎo)、真空度等(4)利用熱慣性作為時(shí)間延遲器3對(duì)于熱敏電阻來(lái)講，分為正溫度系數(shù)電阻和負(fù)溫度系數(shù)電阻，熱敏電阻和金屬熱電阻分別屬于哪種電阻？正溫度系數(shù)電阻是指溫度升高電阻增大的電阻，負(fù)溫度系數(shù)電阻是指溫度升高而電阻降低的電阻，金屬熱電阻屬于正溫度系數(shù)電阻，熱敏電阻屬于負(fù)溫度系數(shù)電阻二、怎樣理解傳感器將其他信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的原理？1可制成熱敏電阻，把溫度的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)有的半導(dǎo)體，在溫度升高時(shí)電阻減小得非常迅速，它能將溫度變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，測(cè)量這種電信號(hào)，就能知道溫度的變化情況如自動(dòng)防火報(bào)警器中就有這種熱敏電阻，當(dāng)溫度升高到一定值(快接近物質(zhì)的著火點(diǎn))時(shí)，這種熱敏電阻的電阻值迅速減小，使電路接通，從而使警鈴發(fā)出警報(bào)又如電子測(cè)溫儀中的熱敏電阻，能迅速地把人的體溫轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在顯示屏上顯示出人的體溫2可制成光敏電阻，把光的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)有的半導(dǎo)體，在光照下電阻大大減小，它能將光的變化迅速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在自動(dòng)控制設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用，如光電計(jì)數(shù)器就是利用光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)的3在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入微量的雜質(zhì)，可以制成晶體二極管和晶體三極管統(tǒng)稱晶體管晶體管(二極管、三極管)、電阻、電容、電感線圈這四類電學(xué)元件組成了復(fù)雜、神秘、繽紛多彩的電子世界，從收錄機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、制導(dǎo)導(dǎo)彈到人造衛(wèi)星的控制和回收都離不開(kāi)它們.一、傳感器的認(rèn)識(shí)【例1】 為解決樓道的照明問(wèn)題，在樓道內(nèi)安裝一個(gè)傳感器與控制電燈的電路相接當(dāng)樓道內(nèi)有人走動(dòng)而發(fā)出聲響時(shí)，電燈即被電源接通而發(fā)光，這種傳感器為_(kāi)傳感器，它輸入的是_信號(hào)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后，輸出的是_信號(hào)解析傳感器的突出特點(diǎn)是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量，本題中的傳感器接收的是聲音信號(hào)，輸出的是電信號(hào)答案聲控聲音電二、熱敏電阻和金屬熱電阻【例2】 將萬(wàn)用表的選擇開(kāi)關(guān)置于“歐姆”擋，再將萬(wàn)用表的兩只表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻rt(阻值隨溫度升高而降低)的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤(pán)的正中間若往r上擦一些酒精，表針將向_(填“左”或“右”)移動(dòng)；若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，表針將向_(填“左”或“右”)移動(dòng)解析若往rt上擦一些酒精，由于酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻rt溫度降低，電阻值增大，所以電流減小，指針應(yīng)向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，電阻rt溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏答案左右1.光敏電阻的阻值隨著入射光強(qiáng)度的增加而_由于它對(duì)光照比較敏感，所以它可以作_傳感器答案減小光電2金屬的電阻率隨溫度的升高而_用金屬絲可以制作_傳感器，稱為_(kāi)答案增大溫度熱電阻3與金屬不同的是，有些半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度的升高而_，故可以用半導(dǎo)體材料制作_答案增強(qiáng)熱敏電阻4與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的_好，測(cè)溫范圍_，但_較差答案化學(xué)穩(wěn)定性大靈敏度5霍爾元件是能夠把磁學(xué)量_轉(zhuǎn)換為電學(xué)量_的傳感器元件答案磁感應(yīng)強(qiáng)度電壓6半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(shí)，會(huì)有更多的_獲得能量成為_(kāi)，同時(shí)也形成更多的_，于是_明顯地增強(qiáng)答案電子自由電子空穴導(dǎo)電性題型 光傳感器 如圖1所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中r1為光敏電阻，r2為定值電阻，此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是()圖1a當(dāng)有光照射r1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓b當(dāng)有光照射r1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓c信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次d信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次答案ac解析當(dāng)光照時(shí)，光敏電阻r1的值減小，r2上的電壓增大，當(dāng)有物體通過(guò)時(shí)，相當(dāng)于無(wú)光照射，r1阻值增大，r2電壓減小，所以信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓，記數(shù)一次，故a、c正確拓展探究如圖2所示，圖2r3是光敏電阻，當(dāng)開(kāi)關(guān)s閉合后，在沒(méi)有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢(shì)當(dāng)用光照射電阻r3時(shí)，則()ar3的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)br3的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)cr3的電阻變大，a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)dr3的電阻變大，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)答案a解析r3是光敏電阻，當(dāng)有光照射時(shí)電阻變小，r3兩端電壓降減小，故a點(diǎn)電勢(shì)將升高，因其他阻值不變，所以a點(diǎn)電勢(shì)將高于b點(diǎn)電勢(shì)題型 電磁流量計(jì)霍爾元件 電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)量可導(dǎo)電流體(如污水)圖3在管中的流量(在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管內(nèi)橫截面的流體體積)為了簡(jiǎn)化，假設(shè)流量計(jì)是如圖3所示的橫截面為長(zhǎng)方形的一段管道，其中空部分的長(zhǎng)、寬、高分別為圖中的a、b、c.流量計(jì)的兩端與輸送流體的管道相連接(圖中虛線)圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料現(xiàn)于流量計(jì)所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于前后兩面當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻r的電流表的兩端連接，i表示測(cè)得電流值已知流體的電阻率為，不計(jì)電流表的內(nèi)阻，則可求得流量為_(kāi)答案(br)解析設(shè)管中流體的流速為v，則在t時(shí)間內(nèi)流體在管中向前移動(dòng)的距離為vt，這樣如右圖畫(huà)線的流體在t時(shí)間內(nèi)都將流過(guò)橫截面設(shè)此橫截面積為s，則畫(huà)線的流體體積v=svt，除以時(shí)間t，則得到流體在該管中的流量為q=sv.對(duì)于題干所給的流量計(jì)，橫截面積s=bc，故流過(guò)流量計(jì)的流量q=vbc，對(duì)于給定的流量計(jì)，b與c是常量，可見(jiàn)測(cè)流量實(shí)質(zhì)上是測(cè)流速當(dāng)可導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)，流體將切割磁感線，這樣在流量計(jì)的上、下兩面產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=vbc，其中b是垂直于流量計(jì)前后兩面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，c是流過(guò)流量計(jì)流體的厚度，v是可導(dǎo)電流體在流量計(jì)中的流速這樣在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻r的電流表的兩端連接，如右圖所示，則將有電流流過(guò)閉合電路這個(gè)閉合電路中的電動(dòng)勢(shì)就是由可導(dǎo)電流體沿流量計(jì)流動(dòng)切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖所示，電阻包括外接的電阻r和可導(dǎo)電液體的電阻r=.這樣根據(jù)歐姆定律，得到閉合電路中的電流等于i=.由此就得到可導(dǎo)電流體在流量計(jì)中的流速為v=于是就得到流過(guò)流量計(jì)的流量q=vbc=拓展探究如圖4所示，圖4厚度為h、寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)面a和下側(cè)面a之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電勢(shì)差u、電流i和b的關(guān)系為uk.式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù)霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場(chǎng)的洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場(chǎng)橫向電場(chǎng)對(duì)電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間就會(huì)形成穩(wěn)定的電勢(shì)差設(shè)電流i是由電子的定向流動(dòng)形成的，電子的平均定向速度為v，電荷量為e，回答下列問(wèn)題：(1)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面a的電勢(shì)_下側(cè)面a的電勢(shì)(填“高于”“低于”或“等于”)(2)電子所受的洛倫茲力的大小為_(kāi)(3)當(dāng)導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間的電勢(shì)差為u時(shí)，電子所受靜電力的大小為_(kāi)(4)由靜電力和洛倫茲力平衡的條件，證明霍爾系數(shù)為k，其中n代表導(dǎo)體板單位體積中電子的個(gè)數(shù)答案(1)低于(2)evb(3)e(4)見(jiàn)解析解析(1)導(dǎo)體中電子運(yùn)動(dòng)形成電流，電子運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反，利用左手定則可判定電子向a板偏，a板上出現(xiàn)等量正電荷，所以a板電勢(shì)低于a板電勢(shì)(2)洛倫茲力大小fbev(3)靜電力f電eee(4)由ff電得beveuhvb導(dǎo)體中通過(guò)的電流inevdh由uk得hvbkhvbk得k1.關(guān)于傳感器，下列說(shuō)法正確的是()a光敏電阻和熱敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的b金屬材料也可以制成傳感器c傳感器主要是通過(guò)感知電阻的變化來(lái)傳遞信號(hào)的d以上說(shuō)法都不正確答案ab2如圖5所示圖5是觀察電阻值隨溫度變化情況的示意圖，現(xiàn)在把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?，關(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是()a如果r為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯b如果r為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯c如果r為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化非常明顯d如果r為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化不明顯答案c解析如果r為金屬熱電阻，則讀數(shù)變大，但不會(huì)非常明顯，故a、b均錯(cuò)如果r為熱敏電阻，讀數(shù)變化應(yīng)非常明顯故選c.3關(guān)于光敏電阻，下列說(shuō)法正確的是()a受到光照越強(qiáng)，電阻越小b受到光照越弱，電阻越小c它的電阻與光照強(qiáng)弱無(wú)關(guān)d以上說(shuō)法都不正確答案a圖64如圖6所示，r1為定值電阻，r2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，l為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)()ar1兩端的電壓增大b電流表的示數(shù)增大c小燈泡的亮度變強(qiáng)d小燈泡的亮度變?nèi)醮鸢竎5如圖7所示，圖7r1、r2為定值電阻，l為小燈泡，r3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度減弱時(shí)()a電壓表的示數(shù)增大br2中電流增大c小燈泡的功率增大d電路的路端電壓增大答案bd6如圖8所示是電容式話筒的示意圖，圖8它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓u，人對(duì)著話筒說(shuō)話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其他量發(fā)生變化，使聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容兩極板間的()a距離變化b正對(duì)面積變化c介質(zhì)變化d電壓變化答案a7按圖9所示連接好電路，合上s，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是_；用電吹風(fēng)對(duì)熱敏電阻吹一會(huì)兒，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡_，原因是_；把熱敏電阻放入冷水中會(huì)發(fā)現(xiàn)_圖9答案溫度低，熱敏電阻阻值大，電磁鐵磁性弱，觸點(diǎn)斷開(kāi)發(fā)光溫度升高，熱敏電阻阻值變小，電磁鐵磁性增強(qiáng)，觸點(diǎn)接觸燈泡熄滅8如圖10所示，圖10將萬(wàn)用表的選擇開(kāi)關(guān)置于“歐姆”擋，再將兩支表筆分別與電阻rt的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤(pán)的中央請(qǐng)你根據(jù)題目所述的實(shí)際情況在下面的橫線上填“左”或“右”，以保證現(xiàn)象的描述正確無(wú)誤若該電阻rt是光敏電阻，現(xiàn)用不透光的黑紙將rt包裹起來(lái)，表針將向_偏轉(zhuǎn)；若用手電筒光照射rt，表針將向_偏轉(zhuǎn)答案左右9如圖11所示，圖中各個(gè)電容式傳感器各是哪種形式的傳感器，請(qǐng)說(shuō)明它們的工作原理圖11答案圖(1)是角度的電容式傳感器，其工作原理是當(dāng)動(dòng)金屬片旋進(jìn)的角度不同時(shí)，電容的正對(duì)面積不同，電容的容量不同圖(2)是流體的電容式傳感器，其工作原理是導(dǎo)電液體相當(dāng)于電容器的一個(gè)極板，當(dāng)液體深度發(fā)生改變時(shí)，相當(dāng)于兩極板的正對(duì)面積發(fā)生改變，電容的容量也隨之改變圖(3)是壓力的電容式傳感器，其工作原理是當(dāng)作用在一個(gè)電極的壓力改變時(shí)，金屬片的形變也發(fā)生改變，兩極板的距離發(fā)生改變，電容的容量也發(fā)生改變圖(4)是位移的電容式傳感器，其工作原理是和物體固定在一起的電介質(zhì)板，當(dāng)物體發(fā)生一小段位移時(shí)，插入兩極板間的電介質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的容量發(fā)生變化10將一動(dòng)力傳感器接到計(jì)算機(jī)上，我們可以測(cè)量快速變化的力，如圖12所示的就是用這種方法測(cè)得的一光滑小球在半球形碗內(nèi)的豎直平面內(nèi)來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)碗面的壓力大小隨時(shí)間變化的曲線(如圖13)試求：圖12