第1、2節(jié) 認(rèn)識(shí)傳感器 常見傳感器的工作原理及應(yīng)用

第五章|傳感器

第1、2節(jié)認(rèn)識(shí)傳感器常見傳感器的工作原理及應(yīng)用核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)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、金屬熱電阻、熱敏電阻和電阻應(yīng)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。科學(xué)思維(1)能嘗試將實(shí)際問題中的對(duì)象與過程轉(zhuǎn)換成物理模型。(2)能分析傳感器中非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原理?？茖W(xué)探究探究傳感器的工作原理及傳感器在應(yīng)用中的一般模式?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)體會(huì)傳感器在某些方面可以代替甚至超過人類對(duì)自然的感知，能夠改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)、生活方式。(2)認(rèn)同物理的技術(shù)應(yīng)用應(yīng)考慮道德與規(guī)范的要求，能認(rèn)識(shí)傳感技術(shù)應(yīng)用與人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)系。一、認(rèn)識(shí)傳感器1．傳感器的定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于______和處理的如電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷的裝置。2．非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義：把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制。3．傳感器應(yīng)用的一般模式傳送(1)傳感器的種類有物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。(2)傳感器的基本部分一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

二、常見傳感器的工作原理及應(yīng)用1．光敏電阻(1)特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻_____。(2)原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能____；隨著光照的增強(qiáng)，載流子______，導(dǎo)電性_____。(3)作用：把__________這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為_____這個(gè)電學(xué)量。越小差增多變好光照強(qiáng)弱電阻2．金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作_____傳感器，稱為熱電阻，如圖所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線。3．熱敏電阻熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，其電阻值隨溫度的變化非常_____，如圖所示為某一熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的特性曲線。4．電阻應(yīng)變片(1)定義：其電阻隨著它所受___________的變化而發(fā)生變化的力敏元件。(2)分類：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。溫度明顯機(jī)械形變(3)力傳感器：由________和電阻應(yīng)變片組成，是電子秤中所使用的測力器件。(4)電容式傳感器：通過測定電容器的電容來確定極板的正對(duì)面積、極板間的距離以及極板間的電介質(zhì)中某個(gè)物理量變化的傳感器。金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增加，而熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而降低。

金屬梁1.當(dāng)我們進(jìn)入賓館的大門時(shí)，門自動(dòng)開啟，當(dāng)我們通過后，門自動(dòng)關(guān)閉。這是為什么？提示：紅外線傳感器探測到有人進(jìn)入時(shí)，將脈沖信號(hào)傳給主控器，主控器判斷后通知馬達(dá)運(yùn)行，使門扇開啟。門扇開啟后由控制器做出判斷，如需關(guān)門，通知馬達(dá)做反向運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉門扇。2.傳感器的應(yīng)用促進(jìn)了人工智能的發(fā)展，無人駕駛汽車就是典型的實(shí)例。判斷下列流程是否正確。(1)非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量→轉(zhuǎn)換元件。

()(2)電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→非電學(xué)量。

()(3)非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量。

()××√3．如圖是應(yīng)變片的原理及力學(xué)傳感器的應(yīng)用的圖片。(1)電子秤的敏感元件是什么？(2)電阻應(yīng)變片是怎樣把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的？提示：(1)電阻應(yīng)變片。(2)當(dāng)電阻應(yīng)變片長度和橫截面積發(fā)生變化時(shí)，由電阻定律可知電阻發(fā)生變化。4．如圖所示，電吉他的弦是軟磁性材料，當(dāng)弦振動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)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。

()××√新知學(xué)習(xí)(一)|傳感器的工作原理[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]干簧管結(jié)構(gòu)如圖甲所示，它是在玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙所示電路，當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)。(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(shí)，燈泡就會(huì)發(fā)光；把磁鐵移走，燈泡熄滅。(2)干簧管的兩個(gè)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(shí)兩簧片失去磁性而分開。

[重點(diǎn)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(dāng)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(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。②轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的與被測物理量成一定關(guān)系的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的電子元件。③轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量，如電壓、電流、電阻等電學(xué)量或電路的通斷等。[典例體驗(yàn)][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(duì)著話筒說話時(shí)，P振動(dòng)而Q可視為不動(dòng)，在P向左運(yùn)動(dòng)的過程中

(

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

D[拓展]對(duì)應(yīng)[典例]的情境，電容式話筒是怎樣利用改變電容器電容實(shí)現(xiàn)把聲音的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的？提示：話筒的振動(dòng)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(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)著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。/方法技巧/分析傳感器時(shí)要明確的問題(1)核心元件是什么；(2)是怎樣將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的；(3)是如何顯示或控制開關(guān)的。[針對(duì)訓(xùn)練]1．關(guān)于傳感器，下列說法正確的是

(

)A．所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料做成的B．金屬材料也可以制成傳感器C．傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號(hào)的D．以上說法都不正確解析：大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料做成的，某些金屬也可以做傳感器，如金屬熱電阻。傳感器將非電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電學(xué)信號(hào)”，故B正確。答案：B

2．當(dāng)你走近某些賓館、酒樓的大門時(shí)，門就會(huì)自動(dòng)為你打開；當(dāng)你走進(jìn)門之后，門又在你身后自動(dòng)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(yùn)動(dòng)C．人

D．光線解析：自動(dòng)門的自動(dòng)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(dòng)門將無法使用。自動(dòng)門實(shí)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(dòng)控制裝置的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開、關(guān)門，D正確。答案：D

3．傳感器廣泛應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中，常用的計(jì)算機(jī)鍵盤就是一種傳感器。如圖所示，鍵盤上每一個(gè)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(gè)金屬片組成一個(gè)小電容器，當(dāng)鍵被按下時(shí)，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(gè)鍵被按下，從而給出相應(yīng)的信號(hào)。這種計(jì)算機(jī)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(shí)，作用的壓力不一樣，小金屬片下移的距離不同，兩個(gè)極板之間的距離不同，電容就不同，即將壓力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量，所以計(jì)算機(jī)鍵盤使用的是壓力傳感器，B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

新知學(xué)習(xí)(二)|電阻式傳感器的應(yīng)用[重點(diǎn)釋解]

熱敏電阻金屬熱電阻光敏電阻電阻應(yīng)變片特點(diǎn)正溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻變大；負(fù)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(qiáng)光下電阻小，在暗光下電阻大受到拉力時(shí)，電阻變大；受到壓力時(shí)，電阻變小敏感材料半導(dǎo)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(yàn)][典例]

(2022·山東青島調(diào)研)藥物生產(chǎn)車間需要嚴(yán)格控制室內(nèi)溫度范圍，盡量保證較小的溫度波動(dòng)。如圖是某監(jiān)控溫度波動(dòng)的報(bào)警系統(tǒng)原理圖，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，當(dāng)報(bào)警器兩端的電壓變化量超出設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。下列說法正確的是(

)A．溫度升高，報(bào)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(dòng)變阻器接入電路的阻值越大，報(bào)警器越容易報(bào)警D．滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值與報(bào)警器是否容易報(bào)警無關(guān)[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(nèi)電壓增大，路端電壓減小，則報(bào)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(nèi)電壓減小，路端電壓增大，則報(bào)警器兩端電壓增大，通過熱敏電阻的電流減小，根據(jù)熱功率表達(dá)式P＝I2R，可知熱敏電阻的熱功率不一定增大，B錯(cuò)誤；若滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值很大，當(dāng)熱敏電阻的阻值變化時(shí)，報(bào)警器兩端的電壓變化量不大，報(bào)警器不容易報(bào)警，因此滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值與報(bào)警器是否容易報(bào)警有關(guān)，C、D錯(cuò)誤。[答案]

A/方法技巧/含傳感器的電路動(dòng)態(tài)分析的四點(diǎn)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(fù)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(jié)合電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及局部阻值的變化，根據(jù)閉合電路的歐姆定律等規(guī)律分析有關(guān)物理量的變化。[針對(duì)訓(xùn)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(shí)現(xiàn)

對(duì)電路相關(guān)物理量的控制。如圖所示電路，R1為定值電阻，R2

為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小)，C為電容器，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)

(

)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(qiáng)度減小D．R1消耗的功率增大答案：AB

2．如圖是某同學(xué)在科技制作活動(dòng)中自制的電子秤原理圖，利用電

壓表(內(nèi)電阻很大)的示數(shù)來指示物體的質(zhì)量。托盤與電阻可忽

略的彈簧相連，托盤與彈簧的質(zhì)量均不計(jì)?；瑒?dòng)變阻器的滑

動(dòng)端與彈簧上端連接，當(dāng)托盤中沒有放物體時(shí)，電壓表的示數(shù)為零。設(shè)變阻器的總電阻為R，總長度為L，電源電動(dòng)勢為E，內(nèi)阻為r，限流電阻為R0，彈簧的勁度系數(shù)為k，若不計(jì)一切摩擦和其他阻力。(1)求出電壓表示數(shù)Ux與所稱物體質(zhì)量m的關(guān)系式。(2)由(1)的計(jì)算結(jié)果可知，電壓表示數(shù)與待測物體質(zhì)量不成正比，不便于制作刻度。為使電壓表示數(shù)與待測物體質(zhì)量成正比，請(qǐng)利用原有器材進(jìn)行改進(jìn)，在如圖的基礎(chǔ)上完成改進(jìn)后的電路原理圖，并求出電壓表示數(shù)Ux與待測物體質(zhì)量m的關(guān)系式。[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物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件。我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個(gè)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(diǎn)(1)感受量分析：要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等。(2)輸出信號(hào)分析：明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)，以及輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的變化規(guī)律。(3)電路結(jié)構(gòu)分析：認(rèn)真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的規(guī)律。[針對(duì)訓(xùn)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(dāng)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)。在對(duì)膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實(shí)線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從電流表正接線柱流入時(shí)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(dòng)D．向左偏到某一刻度后不動(dòng)答案：A

答案：AC一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——對(duì)傳感器工作原理的認(rèn)識(shí)1.(選自滬科版教材課后練習(xí))(多選)如圖是一種測定壓力的

電容式傳感器。當(dāng)待測壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，可

使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化。如果將這個(gè)電容式傳感

器、電流計(jì)和電源串接成閉合電路，那么

(

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

科學(xué)思維——傳感器的電路分析2．(選自魯科版教材課后練習(xí))壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而

減小，有位同學(xué)設(shè)計(jì)了利用壓敏電阻判斷升降機(jī)運(yùn)動(dòng)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(jī)底板上，其上放置

一個(gè)物塊，在升降機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的某一段時(shí)間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)

I不變，且I大于升降機(jī)靜止時(shí)電流表的示數(shù)I0，在這段時(shí)間內(nèi)

(

)A．升降機(jī)可能勻速上升B．升降機(jī)一定勻減速上升C．升降機(jī)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(shí)大解析：I＞I0，說明R兩端分壓變大，電源內(nèi)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(cuò)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(shí)小，D錯(cuò)誤。答案：C

科學(xué)探究——分辨不同的傳感器元件3．(選自粵教版教材課后練習(xí))有三個(gè)失去標(biāo)記的元件，分別是定

值電阻、熱敏電阻和光敏電阻。為識(shí)別它們，可將這三個(gè)元件分

別接