新教材2023年秋高中物理第5章傳感器2.常見傳感器的工作原理及應用教師用書含答案新人教版選擇性必修第二冊

2．常見傳感器的工作原理及應用1．知道傳感器就是把非電學量轉換為電學量的器件或裝置，其主要元件是敏感元件。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．利用電容器的結構改變影響電容的性質，設計電容式位移傳感器。光敏電阻、金屬熱電阻和熱敏電阻1．光敏電阻(1)特點：光照越強，電阻越小。(2)原因：光敏電阻的構成物質為半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。(3)作用：把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。光敏電阻阻值隨光照強度變化而變化是因為光敏電阻是半導體，光照引起載流子數(shù)變化。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溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖甲所示為某金屬導線電阻的阻值隨溫度變化的曲線。3．熱敏電阻熱敏電阻由半導體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖乙所示為某一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線。熱敏電阻是由半導體材料制成的，其電阻值變化比較明顯。在工作溫度范圍內，電阻值隨溫度上升而增大的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。某興趣小組為了研究電子溫控裝置，將熱敏電阻R1、定值電阻R2以及電壓表和電流表連入如圖所示的電路中，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。問題1閉合開關S后，溫度升高時，電流表的示數(shù)如何變化？提示：溫度升高時，熱敏電阻的阻值變小，干路的電流變大，所以電流表的示數(shù)變大。問題2閉合開關S后，溫度降低時，電壓表的示數(shù)如何變化？提示：溫度降低，熱敏電阻的阻值變大，干路中的電流變小，R2兩端的電壓變小，故電壓表的示數(shù)變小。1．電阻式傳感器性能比較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，隨溫度升高阻值變大；負溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高阻值減小電阻率隨溫度的升高而增大在強光下電阻小，在弱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優(yōu)點靈敏度好測溫范圍大靈敏度好靈敏度好原理溫度影響電阻率無光照時，載流子極少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好R＝ρl應用空調機電飯煲照相機電子秤2．熱敏電阻和金屬熱電阻隨溫度變化的特點(1)熱敏電阻：用半導體材料制成，電阻值隨溫度變化發(fā)生明顯變化的電阻。如圖①所示為某熱敏電阻阻值隨溫度變化的特性曲線。(2)金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，如圖②所示，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器。熱敏電阻【典例1】如圖所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻(負溫度系數(shù)熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻)，L為小燈泡，當溫度降低時()A．R1兩端的電壓增大B．電流表的示數(shù)增大C．小燈泡的亮度變強D．小燈泡的亮度變弱C[R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián)，與電源構成閉合電路，當溫度降低時，熱敏電阻R2電阻值增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，R1兩端的電壓減小，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡的亮度變強，故C正確。]傳感器問題中的電路動態(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(jù)閉合電路的歐姆定律等規(guī)律分析有關物理量的變化。光敏電阻【典例2】(多選)如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當入射光強度增大時()A．電壓表的示數(shù)增大B．R2中電流減小C．小燈泡的功率增大D．電路的路端電壓增大ABC[當入射光強度增大時，R3阻值減小，外電路總電阻隨R3的減小而減小，由閉合電路歐姆定律知，干路電流增大，R1兩端電壓增大，電壓表的示數(shù)增大，同時內電壓增大，故電路的路端電壓減小，A正確，D錯誤；因路端電壓減小，且R1兩端電壓增大，故R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，B正確；因干路電流增大，且R2中電流減小，知流過小燈泡的電流必增大，故小燈泡的功率增大，C正確。][跟進訓練]1．(2022·山東煙臺二中高二階段練習)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件分別接入如圖所示電路中A、B兩點后，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法正確的是()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，這只元件一定是光敏電阻B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻C．用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻D．用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻C[定值電阻阻值不隨溫度以及光照強度的變化而變化，熱敏電阻阻值隨溫度的變化而變化；光敏電阻阻值隨光照強度的變化而變化，置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻，選項A錯誤；置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件可能是定值電阻，也可能是光敏電阻，選項B錯誤；用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻，選項C正確；用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件可能是定值電阻，也可能是熱敏電阻，D錯誤。]力傳感器的應用——電子秤1．組成及敏感元件：由金屬梁和電阻應變片組成，敏感元件是電阻應變片。2．工作原理金屬梁自由端受力F?金屬梁發(fā)生彎曲3．作用：電阻應變片將物體形變這個力學量轉換為電阻這個電學量。力傳感器不僅可以測量壓力，也可以測量拉力。如圖所示是一個應變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各貼一個應變片。問題結合力傳感器的特點，敘述它的工作原理。提示：在梁的自由端施加力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變大，下表面應變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越大。力傳感器的應用——電子秤工作原理1．壓力(兩個應變片的形變)引起電阻變化。如圖所示，金屬梁右端固定，上下表面各貼一個應變片，金屬梁自由端受力F時，金屬梁發(fā)生彎曲，上表面應變片拉伸，阻值變大，下表面應變片壓縮，阻值變小。2．兩個應變片的電壓差發(fā)生變化，力F越大，電壓差就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，則上表面應變片兩端電壓變大，下表面應變片兩端電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出，力F越大，輸出的電壓差值也就越大，這樣就把壓力的大小轉換為電壓的大小?！镜淅?】有一種測量人體重力的電子秤，其原理圖如圖中的虛線所示，它主要由三部分構成：踏板和壓力杠桿ABO、壓力傳感器R(一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻器)、顯示體重的儀表G(其實質是電流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知壓力傳感器的電阻與其所受壓力的關系如下表所示。壓力F/N050100150200250300…電阻R/Ω300270240210180150120…設踏板的杠桿組件的質量不計，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.68V，則：(1)利用表中數(shù)據(jù)歸納出電阻R隨壓力F變化的函數(shù)關系式。(2)該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應標在電流表刻度盤多少毫安處？(3)如果某人站在踏板上，電流表刻度盤示數(shù)為20mA，這個人的重力是多少？[解析](1)由表中數(shù)據(jù)可歸納得出：R＝300－0.6F(Ω)。(2)依題意可知，電子秤空載時壓力傳感器受到的壓力為零，電阻R1＝300Ω，電路中的電流I1＝UR1＝4.68300A(3)當電流表刻度盤的讀數(shù)為I2＝20mA時，壓力傳感器的電阻R2＝UI2＝4.6820×10-3Ω＝234Ω，由R＝300－再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550N。[答案](1)R＝300－0.6F(Ω)(2)15.6mA(3)550N[跟進訓練]2．(多選)下列關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是()A．應變片都是由半導體材料制成的B．當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之變小C．傳感器輸出的是應變片上的電壓D．外力越大，輸出的電壓差值也越大BD[常見的電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體電阻應變片，故A錯誤；當應變片拉伸時，其電阻變大，反之變小，故B正確；傳感器輸出的是上、下兩應變片上的電壓差值，并且隨著外力的增大，輸出的電壓差值越大，故C錯誤，D正確。]電容式傳感器1．電容器的電容決定于極板間的正對面積S、極板間距d、極板間的電介質這幾個因素。如果某個物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，這種電容器稱為電容式傳感器。2．常見電容式傳感器名稱傳感器原理測定角度θ的電容式傳感器當動片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時，引起極板正對面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道θ的變化情況測定液面高度h的電容式傳感器在導電芯的外面涂上一層絕緣物質，放入導電液體中，導電芯和導電液體構成電容器的兩個極，導電芯外面的絕緣物質就是電介質，液面高度h發(fā)生變化時，引起正對面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道h的變化情況測定壓力F的電容式傳感器待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化，知道C的變化，就可以知道F的變化情況測定位移x的電容式傳感器隨著電介質進入極板間的長度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況【典例4】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思路點撥：根據(jù)電容的公式C＝εrS4πkd壓力A[壓力F作用時，極板間距d變小，由C＝εrS4πkd，電容器電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，極板所帶電荷量變大，所以電容器應充電，靈敏電流計中產生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏。電容式傳感器是一種多功能傳感器，可把壓力、轉角、位移、壓強、聲音等非電學量轉換為電容這一電學量，分析原理時，關鍵要搞清是哪個非電學量轉換為電容，然后結合電容的決定式來分析。[跟進訓練]3．傳感器是將能感受的物理量(如力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電學量)的一類元件，在自動控制中有相當廣泛的應用，如圖所示的裝置是一種測定液面高度的電容式傳感器。金屬芯線與導電液體構成一個電容器，從電容C大小的變化情況就能反映出液面高度h的高低情況，則兩者的關系是()①C增大表示h增大②C增大表示h減?、跜減小表示h減小④C減小表示h增大A．只有①正確 B．只有①③正確C．只有②正確 D．只有②④正確B[液面高度的變化，相當于電容器極板正對面積的變化。當h增大時，相當于正對面積增大，則電容應增大，當h減小時，相當于正對面積減小，電容C應減小，B正確。]1．有一電學元件，溫度升高時其電阻減小，這種元件可能是()A．金屬導體 B．光敏電阻C．熱敏電阻 D．電阻應變片C[金屬導體電阻值一般隨溫度升高而增大，光敏電阻電阻值是隨光照強度的增大而減小，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大或隨溫度的升高而減小，電阻應變片的阻值隨機械形變而發(fā)生變化，C正確，A、B、D錯誤。]2．關于光敏電阻和熱敏電阻，下列說法正確的是()A．光敏電阻是用半導體材料制成的，其阻值隨光照增強而減小，隨光照的減弱而增大B．光敏電阻是能把光照強度這個光學量轉換為電流這個電學量的傳感器C．熱敏電阻是用金屬鉑制成的，它對溫度感知很靈敏D．熱敏電阻是把熱量這個熱學量轉換為電阻這個電學量的傳感器A[光敏電阻是把光強轉換為電阻的元件，熱敏電阻是把溫度轉換為電阻的元件，故B、D錯誤；熱敏電阻和光敏電阻都是半導體材料制成的，半導體具有光敏性和熱敏性，金屬鉑與熱敏電阻的阻值隨溫度的變化趨勢相反，故C錯誤，A正確。]3．如圖所示，電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導體層內形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時，由于人體是導體，手指與內部導體層間會形成一個特殊電容(耦合電容)，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏后的控制器便會計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點的位置。由以上信息可知()A．電容式觸摸屏的兩極板分別是導體層和手指B．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大，電容不變C．當用手觸摸屏幕時，手指與屏的接觸面積越大