第1節(jié) 常見傳感器的工作原理

第5章

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傳感器及其應(yīng)用第1節(jié)常見傳感器的工作原理核心素養(yǎng)點擊

物理觀念(1)感受傳感器，知道傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。(2)了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的物理特性和用途?？茖W(xué)思維(1)體會傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的物理意義。(2)通過對傳感器原理和應(yīng)用的了解，體會傳感器在實際應(yīng)用中的價值。科學(xué)探究探究傳感器的工作原理及傳感器在實際應(yīng)用中的一般模式。科學(xué)態(tài)度與責任體會傳感器在某些方面可以代替甚至超過人類對自然的感知，能夠改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。一、初識傳感器1．填一填(1)定義

能夠感受外界信息，并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(主要是

)的器件或裝置。(2)作用

傳感器在自動測量和自動控制系統(tǒng)中擔負著信息采集和轉(zhuǎn)化任務(wù)，把

量轉(zhuǎn)化為

量。電信號非電學(xué)電學(xué)2．判一判(1)傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件。

()(2)傳感器只能感受溫度和光兩個物理量。

()(3)傳感器能夠?qū)⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，其核心部件是敏感元件。

(

)√√×敏感轉(zhuǎn)換3．想一想

如圖是交警正在用酒精檢測儀測量司機呼出氣體的酒精濃度。為什么傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量呢？提示：電學(xué)量具有易測量，易控制，測量精度和速度較高，易放大、反饋、存儲和可遠距離傳輸?shù)忍攸c。特別是電信號能方便地與計算機連接而進行信息處理，所以傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。二、敏感元件1．填一填(1)光敏元件——光敏電阻①特點光照越強，電阻

。②原因無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強，載流子

，導(dǎo)電性

。③作用把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為

這個電學(xué)量。越小增多變好電阻減小增大電壓霍爾磁場的磁感應(yīng)強度電流的大小2．判一判(1)隨著光照的增強，光敏電阻的電阻值逐漸增大。

()(2)只有熱敏電阻才能把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。

(

)(3)霍爾元件工作時，產(chǎn)生的電壓與外加的磁感應(yīng)強度成正比。

()3．選一選有一電學(xué)元件，溫度升高時其電阻減小，這種元件可能是

(

)A．金屬導(dǎo)體 B．光敏電阻C．熱敏電阻

D．霍爾元件解析：金屬導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而增大，光敏阻是隨光照強度的增大而減小，PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，霍爾元件隨磁感應(yīng)強度的增大其兩端的電壓增大，故C正確，A、B、D錯誤。答案：C

××√探究(一)

傳感器的工作原理[問題驅(qū)動]CPU溫度是由CPU內(nèi)置的溫度傳感器偵測到溫度之后傳達給BIOS顯示出來，由BIOS依據(jù)溫度高低來決定散熱風扇的轉(zhuǎn)速。(1)CPU溫度傳感器的作用是什么？主要由什么元件組成？(2)CPU溫度傳感器的存在對電腦有什么意義？提示：(1)將非電學(xué)量溫度轉(zhuǎn)化為電學(xué)量輸出給BIOS，主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。(2)及時將CPU溫度傳遞給電腦，防止因CPU溫度過高而出現(xiàn)死機現(xiàn)象。

[重難釋解]傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作。傳感器的工作原理如圖所示。當你走近某些賓館、酒樓的大門時，門就會自動為你打開；當你走進門之后，門又在你身后自動關(guān)上。你覺得這可能是將下列哪種外界信息轉(zhuǎn)換為有用的信息

(

)A．溫度 B．運動C．人

D．紅外線[解析]

自動門的自動控制要求靈敏、可靠，若以溫度控制，人的體溫與夏季氣溫接近，則在夏季自動門將無法使用。自動門實際使用的是紅外線傳感器，紅外線屬于不可見光，人在白天或黑夜均發(fā)出紅外線，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線后傳給自動控制裝置的電動機，實現(xiàn)自動開、關(guān)門。故D正確。[答案]

D[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關(guān)，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是

(

)A．光傳感器

B．溫度傳感器C．聲傳感器

D．壓力傳感器解析：在電梯門口放置一障礙物，電梯門不停地開關(guān)，說明電梯門上裝有光傳感器，故選項A正確。答案：A

2．(多選)關(guān)于傳感器，下列說法正確的是

(

)A．麥克風工作時，將感受到的聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號B．電子秤工作時，將感受到的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號C．煙霧傳感器工作時，將感受到的煙霧濃度信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)自動報警D．聲控燈工作時，將感受到的聲音信號轉(zhuǎn)化為電能給燈泡供電解析：傳感器是一種信號轉(zhuǎn)換器，通常將感受到的外界信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，麥克風工作時將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，電子秤工作時將受到的物體的壓力大小的信息轉(zhuǎn)化為電信號，煙霧傳感器工作時將感受到的環(huán)境中的煙霧濃度信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)自動報警，選項A、B、C正確；聲控燈工作時利用聲控開關(guān)控制電路的通斷，將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，并不是給燈泡供電，選項D錯誤。答案：ABC

探究(二)

敏感元件的特性和應(yīng)用[問題驅(qū)動]家用汽車已經(jīng)配備自動大燈，可以自動控制燈光的開啟和關(guān)閉，比如你白天突然進入隧道或者清晨傍晚光線不好時，大燈自動打開照亮前路，使行車更安全。請問是如何實現(xiàn)的？提示：用光控開關(guān)控制大燈開啟，光敏元件收集到光照強度較弱時，開關(guān)打開，大燈亮起。

[重難釋解]1．光敏元件(1)特點：光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化。光照增強時，電阻減小；光照減弱時，電阻增大。(2)原因：制作光敏電阻的硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能較差；隨著光照的增強，載流子增多，導(dǎo)電性能增強。(3)作用：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。2．熱敏元件(1)熱敏元件種類：①正溫度系數(shù)熱敏電阻；②負溫度系數(shù)熱敏電阻。(2)特點：①正溫度系數(shù)熱敏電阻：溫度升高，電阻增加。②負溫度系數(shù)熱敏電阻：溫度升高，電阻減小。(3)原理：①正溫度系數(shù)：溫度升高，載流子減少，電阻增加。②負溫度系數(shù)：溫度升高，載流子增多，電阻減小。(4)應(yīng)用：電子溫度計(正溫度系數(shù))；冰箱(負溫度系數(shù))。3．磁敏元件(1)磁敏元件名稱：霍爾元件。(2)特點：在電流不變的情況下，霍爾電壓與磁感應(yīng)強度成正比。(3)原理：載流子在洛倫茲力的作用下，在與電流和磁場垂直方向聚集，形成霍爾電壓。(4)應(yīng)用：無刷電機，接近開關(guān)。如圖所示是一火警報警器的一部分電路示意圖，其中R2為用半導(dǎo)體熱敏電阻(阻值隨溫度的升高而減小)制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器。當傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是

(

)A．I變大、U變大 B．I變小、U變小C．I變小、U變大

D．I變大、U變小[解題指導(dǎo)]

解答本題時可按以下思路分析：[解析]

當R2處出現(xiàn)火情時，熱敏電阻的阻值將減小，則此時電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知，路端電壓將減小，電路中的總電流增大，所以R1兩端的電壓增大，由于路端電壓減小，則并聯(lián)部分的電壓減小，通過R3的電流I變小，所以顯示器的電流I變小，報警器兩端的電壓U變小，故B正確。[答案]

B含有熱敏電阻的電路的動態(tài)分析順序[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．對于確定的一個霍爾元件，若保持通入的恒定電流不變，當磁感應(yīng)強度增大時，霍爾電壓UH應(yīng)

(

)A．不變

B．減小C．增大

D．不確定答案：C2．

(多選)光敏電阻被光照射時電阻會變小。如圖所示，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，在有光照射光敏電阻R1時，燈泡 L正常發(fā)光。當無光照射R1時，下列判斷中正確的是

(

)A．通過光敏電阻R1的電流將變小B．光敏電阻R1兩端的電壓不變C．電源兩端的電壓變大D．燈泡消耗的功率變大解析：由題知光敏電阻被光照射時電阻會變小，當無光照射R1時電阻增大，根據(jù)閉合電路歐姆定律得知，通過光敏電阻R1的電流將變小，故A正確。光敏電阻R1兩端的電壓U1＝E－I(RL＋r)，I變小，U1增大，故B錯誤。由于電源兩端的電壓隨外電阻的增大而增大，所以電源兩端的電壓變大，故C正確。燈泡的電阻不變，電流變小，其消耗的功率變小，故D錯誤。答案：AC

3．(多選)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三個元件，將這三個元件分

別接入如圖所示電路中的A、B兩點后，用黑紙包住元件或者把元件

置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法中正確的是

(

)A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是熱敏電阻B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化的一定是定值電阻C．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是光敏電阻D．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)相同的一定是定值電阻解析：熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發(fā)生變化，故A正確，B錯誤；光敏電阻的阻值隨光照的變化而變化，而定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨光照的變化而變化，故C正確，D錯誤。答案：AC

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維1．(多選)電容式加速度傳感器的原理圖如圖所示，質(zhì)量塊左、右兩側(cè)分別連接電介質(zhì)、輕質(zhì)彈簧，彈簧與電容器固定在外框上，質(zhì)量塊可帶動電介質(zhì)移動，改變電容。則

(

)A．越多的電介質(zhì)插入極板間，電容器電容越小B．當傳感器以恒定加速度運動時，電路中有恒定電流C．若傳感器原來向右勻速運動，突然減速時彈簧會壓縮D．當傳感器由靜止突然向右加速時，電路中有順時針方向的電流答案：CD

二、注重學(xué)以致用和思維建模2．某學(xué)習小組的同學(xué)在用“多用電表研究熱敏電阻特性”的實驗中，

安裝好如圖所示的裝置。向杯內(nèi)加入冷水，此時溫度計的示數(shù)為

20℃，多用電表選擇適當?shù)谋堵?，讀出熱敏電阻的阻值。然后向

杯內(nèi)加入熱水，當溫度計的示數(shù)為60℃時，發(fā)現(xiàn)多用電表的指針

偏轉(zhuǎn)角度較大，則下列說法正確的是

(

)A．多用電表應(yīng)選用電流擋，溫度升高時換用大量程測量B．多用電表應(yīng)選用電流擋，溫度升高時換用小量程測量C．多用電表應(yīng)選用歐姆擋，溫度升高時換用倍率大的擋測量D．多用電表應(yīng)選用歐姆擋，溫度升高時換用倍率小的擋測量解析：測電阻應(yīng)選用歐姆擋。當溫度升高時，熱敏電阻的阻值受溫度變化的影響，多用電表的指針偏轉(zhuǎn)角度增大，說明電阻的阻值變小，所以應(yīng)換用倍率小的擋測量，