第一、二節(jié) 傳感器及其工作原理 傳感器的應用

第五章傳感器第一、二節(jié)傳感器及其工作原理

傳感器的應用核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)感受傳感器，知道傳感器是把非電學量轉化成電學量的器件或裝置。(2)了解光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻和電阻應變片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作傳感器的敏感元件。(3)了解生活中、農業(yè)生產中、工業(yè)生產中、航天航空中的傳感器?？茖W思維(1)體會傳感器將非電學量轉化為電學量的物理意義。(2)通過對傳感器原理和應用的了解，體會傳感器在實際應用中的價值?？茖W探究探究傳感器的工作原理及傳感器在實際應用中的一般模式?？茖W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，能夠改變人類的生產生活方式。續(xù)表一、什么是傳感器傳感器的分類1．傳感器：能夠感受到被測量的信息，并將其按照一定的規(guī)律轉化為可用信號的器件或裝置。2．傳感器組成：一般由_____元件、轉換元件和轉換電路三部分組成。如圖所示：3．傳感器的分類(1)物理傳感器；(2)化學傳感器；(3)生物傳感器。敏感二、溫度傳感器的原理光電傳感器的原理1．溫度傳感器的原理(1)溫度傳感器：將______變化轉換為電學量變化的裝置。(2)溫度傳感器中的敏感元件：_____電阻、熱電偶、熱雙金屬片等。(3)熱敏電阻的分類：①正溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度的上升而_____。②負溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度的上升而______。③臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值在很小的溫度范圍內急劇______。金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增加，而負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而降低。

溫度熱敏增加下降下降三、傳感器的應用1．生活中的傳感器(1)與溫度傳感器相關的應用：電飯煲、電冰箱、微波爐、_______、消毒碗柜等。(2)與紅外線傳感器相關的應用：自動門、家電遙控器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器等。(3)與光敏傳感器相關的應用：照相機。(4)與壓力傳感器相關的應用：家用便攜式電子秤?？照{機2．農業(yè)生產中的傳感器(1)濕度傳感器的應用：無人管理的自動噴灌系統(tǒng)。(2)溫度傳感器的應用：自動控溫的蔬菜大棚。(3)現(xiàn)代糧庫采用溫度傳感器和濕度傳感器，通過對通風裝置進行自動控制，有效地減少糧庫里的霉變。3．工業(yè)生產中的傳感器(1)汽車生產線上的焊接機器人是視覺傳感器、力學傳感器、溫度傳感器、電弧傳感器等的聯(lián)合應用。(2)埋入式______傳感器安置在大橋或水壩中，可以實時監(jiān)測大橋或水壩的裂痕等安全隱患。光纖4．航天航空中的傳感器(1)運載火箭上應用的壓力傳感器。(2)哈勃空間望遠鏡上應用的高精度光學傳感器。(3)載人飛船中應用的生理傳感器。1.當我們進入賓館的大門時，門自動開啟，當我們通過后，門自動關閉。這是為什么？提示：紅外線傳感器探測到有人進入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達運行，使門扇開啟。門扇開啟后由控制器做出判斷，如需關門，通知馬達做反向運動，關閉門扇。2．傳感器的應用促進了人工智能的發(fā)展，無人駕駛汽車就是典型的實例。判斷下列流程是否正確。(1)非電學量→敏感元件→轉換電路→電學量→轉換元件。

()(2)電學量→敏感元件→轉換電路→轉換元件→非電學量。

()(3)非電學量→敏感元件→轉換元件→轉換電路→電學量。

()××√3．如圖所示，電吉他的弦是軟磁性材料，當弦振動時，線圈中產生感應電流，感應電流輸送到放大器、喇叭，把聲音播放出來。判斷以下說法的正誤。(1)電吉他是光電傳感器。

()(2)電吉他是溫度傳感器。

()(3)電吉他是聲音傳感器。

()××√4．交警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量轉換成電學量呢？提示：電學量具有易測量、易控制、測量精度和速度較高、易放大、易反饋、易存儲、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量轉換成電學量。新知學習(一)|傳感器的工作原理[任務驅動]干簧管結構如圖甲所示，它是在玻璃管內封入的兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙所示電路，當磁鐵靠近干簧管時。(1)觀察到什么現(xiàn)象？(2)干簧管的原理是什么？提示：(1)磁鐵靠近干簧管時，燈泡就會發(fā)光；把磁鐵移走，燈泡熄滅。(2)干簧管的兩個簧片在外加磁場的作用下被磁化成相反磁性的磁極而連通，沒有外加磁場時兩簧片失去磁性而分開。

[重點釋解]1．傳感器的組成和工作流程(1)傳感器的組成①敏感元件：相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。②轉換元件：將敏感元件輸出的與被測物理量成一定關系的非電信號轉換成電信號的電子元件。③轉換電路：將轉換元件輸出的不易測量的電學量轉換成易于測量的電學量，如電壓、電流、電阻等電學量或電路的通斷等。[典例體驗][典例]

(2022·福州高二檢測)某電容式話筒的原理示意圖如圖所示，E為電源，R為電阻，薄片P和Q為兩金屬極板。對著話筒說話時，P振動而Q可視為不動，在P向左運動的過程中

(

)A．P、Q構成的電容器的電容增大B．P上電荷量保持不變C．M點的電勢比N點的低D．M點的電勢比N點的高[答案]

D[拓展]對應[典例]的情境，電容式話筒是怎樣利用改變電容器電容實現(xiàn)把聲音的變化轉換為電信號的？提示：話筒的振動膜前面有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，聲音信號被話筒轉化為電信號。/方法技巧/分析傳感器時要明確的問題(1)核心元件是什么；(2)是怎樣將非電學量轉化為電學量的；(3)是如何顯示或控制開關的。[針對訓練]1．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上。你覺得這可能是將下列哪種外界信息轉換為有用的信息

(

)A．溫度 B．運動C．人 D．光線解析：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、關門，D正確。答案：D

2．傳感器廣泛應用在我們的生產生活中，常用的計算機鍵盤就是一種傳感器。如圖所示，鍵盤上每一個鍵的下面都連有一小金屬片，與該金屬片隔有一定空氣間隙的是另一小的固定金屬片，這兩個金屬片組成一個小電容器，當鍵被按下時，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能夠檢測出哪個鍵被按下，從而給出相應的信號。這種計算機鍵盤使用的是

(

)A．溫度傳感器

B．壓力傳感器C．磁傳感器

D．光傳感器解析：小金屬片被按下時，作用的壓力不一樣，小金屬片下移的距離不同，兩個極板之間的距離不同，電容就不同，即將壓力這個力學量轉換為電容這個電學量，所以計算機鍵盤使用的是壓力傳感器，B正確，A、C、D錯誤。答案：B

新知學習(二)|電阻式傳感器的應用[重點釋解]

熱敏電阻金屬熱電阻光敏電阻電阻應變片特點正溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻變大；負溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻減小電阻率隨溫度的升高而增加在強光下電阻小，在暗光下電阻大受到拉力時，電阻變大；受到壓力時，電阻變小敏感材料半導體金屬把硫化鎘涂敷在絕緣板上，其表面鍍銀金屬材料續(xù)表[典例體驗][典例]

(2022·河源高二檢測)藥物生產車間需要嚴格控制室內溫度范圍，盡量保證較小的溫度波動。如圖是某監(jiān)控溫度波動的報警系統(tǒng)原理圖，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，當報警器兩端的電壓變化量超出設定值時，報警器就會自動報警。下列說法正確的是

(

)A．溫度升高，報警器兩端電壓減小B．溫度降低，熱敏電阻的熱功率一定增大C．滑動變阻器接入電路的阻值越大，報警器越容易報警D．滑動變阻器接入電路的阻值與報警器是否容易報警無關[解析]

溫度升高，熱敏電阻的阻值減小，電路中總電阻減小，總電流增大，內電壓增大，路端電壓減小，則報警器兩端電壓減小，A正確；溫度降低，熱敏電阻的阻值增大，電路中總電阻增大，總電流減小，內電壓減小，路端電壓增大，則報警器兩端電壓增大，通過熱敏電阻的電流減小，根據熱功率表達式P＝I2R，可知熱敏電阻的熱功率不一定增大，B錯誤；若滑動變阻器接入電路的阻值很大，當熱敏電阻的阻值變化時，報警器兩端的電壓變化量不大，報警器不容易報警，因此滑動變阻器接入電路的阻值與報警器是否容易報警有關，C、D錯誤。[答案]

A/方法技巧/含傳感器的電路動態(tài)分析的四點注意(1)如果涉及光敏電阻，必須明確光照情況怎樣變化，從而判斷出其阻值的變化。(2)如果涉及熱敏電阻，必須明確是正溫度系數(shù)還是負溫度系數(shù)的熱敏電阻及溫度變化情況，從而判斷其阻值的變化。(3)如果是其他元件引起的電路變化可具體問題具體分析。(4)結合電路結構特點及局部阻值的變化，根據閉合電路的歐姆定律等規(guī)律分析有關物理量的變化。[針對訓練]1．(多選)在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關物理量的控制。如圖所示電路，R1為定值電阻，R2為半導體熱敏電阻(溫度越高電阻越小)，C為電容器，當環(huán)境溫度降低時

(

)A．電容器C的帶電荷量增加B．電壓表的讀數(shù)增大C．電容器C兩板間的電場強度減小D．R1消耗的功率增大答案：AB2．(多選)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元

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

[答案]

(1)evB

(2)見解析[系統(tǒng)歸納]1．傳感器綜合問題的分析步驟傳感器是將所感受的非電學量(如力、熱、光等)轉換為便于測量的電學量的器件。我們可以把傳感器的應用過程分為三個步驟：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、傳輸。(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作。2．分析傳感器問題要注意三點(1)感受量分析：要明確傳感器所感受的非電學量，如力、熱、光、磁、聲等。(2)輸出信號分析：明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號，以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律。(3)電路結構分析：認真分析傳感器所在的電路結構，在熟悉常用電子元件工作特點的基礎上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律。[針對訓練]1．如圖所示為測定壓力的電容式傳感器，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當壓力F作用于可動膜片電極上時，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導致靈敏電流表指針偏轉。在對膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉情況為(電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏) (

)A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不動D．向左偏到某一刻度后不動答案：A

答案：AC一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——對傳感器工作原理的認識1．(選自滬科版新教材課后練習)(多選)如圖是一種測定壓力的電

容式傳感器。當待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜

片產生形變，引起電容的變化。如果將這個電容式傳感器、電流計和電源串接成閉合電路，那么

(

)A．當F向上壓膜片電極時，電容將變小B．當F向上壓膜片電極時，電容將變大C．若電流計示數(shù)有變化，則表明壓力F發(fā)生變化D．若電流計示數(shù)有變化，則表明壓力F不發(fā)生變化答案：BC

科學思維——傳感器的電路分析2．(選自魯科版新教材課后練習)壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設計了利用壓敏電阻判斷升降機運動狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖所示。將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動過程的某一段時間內，發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)I不變，且I大于升降機靜止時電流表的示數(shù)I0，在這段時間內

(

)A．升降機可能勻速上升B．升降機一定勻減速上升C．升降機一定處于失重狀態(tài)D．通過壓敏電阻的電流一定比電梯靜止時大解析：I＞I0，說明R兩端分壓變大，電源內阻分壓變小，總電流變小，總電阻變大，則壓敏電阻的阻值變大了，其所受壓力減小，物塊所受支持力小于重力，處于失重狀態(tài)，可能加速下降或減速上升，A、B錯誤，C正確；由于總電流變小，電流表示數(shù)變大，則通過壓敏電阻的電流比電梯靜止時小，D錯誤。答案：C

二、新題