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第1节　常见传感器的工作原理 学案
学习目标：
1.知道什么是传感器，了解传感器的种类.
2.知道传感器的组成与应用模式.
3.知道光敏元件、热敏元件、磁敏元件的工作原理及应用．
基础知识：
一、初识传感器
1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断．
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，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．
3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成．
4．传感器应用的一般模式：
二、敏感元件
1．光敏元件
(1)光敏电阻是一种典型的光敏元件，广泛应用于光敏传感器。
(2)光敏电阻的构成物质为半导体材料，当光照射到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其阻值会发生改变。光照越强被激发出的电子数就越多，电阻就越小。
(3)特点：光照越强，电阻越小。
2．热敏元件
(1)热敏电阻是一种常用的热敏元件，广泛应用于温度传感器。
(2)热敏电阻由半导体材料制成，其电阻有随温度的改变而改变的特性。
(3)分类：
①电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻。
②电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。
3．磁敏元件
(1)霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，广泛应用于磁传感器。
(2)构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个引出端子，就成为一个霍尔元件。
产生霍尔电压的示意图
(3)霍尔电压：UH＝k。
①其中d为霍尔元件的厚度，k为与材料有关的霍尔系数。
②对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，则UH完全取决于磁感应强度B。
(4)作用：把磁感应强度的测量转换为电压的测量。
重难点理解：
1．传感器的核心元件
(1)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．
(2)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．
(3)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、电流、电阻等．
2．传感器的工作原理
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、电流、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输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作原理如下所示：
→→→→
典例1、如图所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势．当用光照射电阻R3时，则(电源内阻不计)(　　)
A．a点电势高于b点电势
B．a点电势低于b点电势
C．a点电势等于b点电势
D．a点电势和b点电势的大小无法比较
答案　A
解析　当用光照射电阻R3时，R3电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势，故A正确．
典例2、某温控电路的原理如图所示，RM是负温度系数的热敏电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在15～27 ℃的环境中工作．当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备．下列说法正确的是(　　)
A．环境温度降低，RM的阻值减小
B．环境温度升高，Uab变大
C．滑片P向下移动时，Uab变大
D．调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度
答案　D
解析　环境温度降低时，RM的阻值变大，A错误；环境温度升高，RM的阻值减小，则Uab变小，B错误；滑片P向下移动时，接入电路中的电阻变大，回路电流减小，则Uab变小，C错误；由C可知，调节滑片P的位置能改变临界温度，D正确．
典例3、霍尔元件是一种磁传感器，是实际生活中的重要元件之一．如图所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷．则下列说法正确的是(　　)
A．该元件能把电学量转化为磁学量
B．左表面的电势高于右表面
C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持元件上表面呈水平状态
D．如果霍尔元件中的电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
答案　D解析　霍尔元件是把磁学量转换为电学量，A错误；由于霍尔元件中的载流子为负电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的上表面保持水平，则无电压产生，C错误；根据qvB＝q得，U＝Bdv，又I＝nqSv，联立解得U＝，可知保持电流不变，则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确．
巩固练习：
1．关于传感器及其作用，下列说法正确的是(　　)
A．传感器一定是把非电学量转换为电学量
B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制
D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器
2．(多选)许多楼道照明灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启；而白天，即使有声音它也没有反应，它的控制电路中接入了哪些传感器(　　)
A．温度传感器　　　　 B．光传感器
C．声音传感器 D．热传感器
　3.如图所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是(　　)
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．电阻丝的功率增大
D．电路的路端电压增大
4.(多选)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，相对于一个霍尔元件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。以下说法中正确的是(　　)
A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，UH将变大
B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔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，霍尔元件的工作面应保持水平
D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化
参考答案：
1. C　2. BC　3. D　4. ABD

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