5.2 常見傳感器的工作原理及應(yīng)用（解析版）

學(xué)而優(yōu)教有方常見傳感器的工作原理及應(yīng)用常見傳感器的工作原理及應(yīng)用知識導(dǎo)航知識導(dǎo)航知識精講知識精講考點1：敏感元件的認識與使用1．光敏電阻的導(dǎo)電特性光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強。2．熱敏電阻和金屬熱電阻的特點（1）熱敏電阻：用半導(dǎo)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所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。（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。熱敏電阻或金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，但相比而言，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好?！咀⒁狻堪礋崦綦娮桦S溫度變化的規(guī)律，熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負溫度系數(shù)的熱敏電阻，正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻增大，負溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻減小。【例1】傳感器已廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活中，下列關(guān)于傳感器的說法正確的是()A．火警報警器使用了壓力傳感器B．冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器C．商場里的自動門使用了光傳感器D．夜間自動打開的路燈使用了溫度傳感器【解析】B火警報警器使用了溫度傳感器，故A錯誤；冰箱控溫系統(tǒng)使用了溫度傳感器，故B正確；一般人體都有恒定的體溫，一般在37℃，所以會發(fā)出特定波長10μm左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進行工作的。人走向門口時，門會自動打開，是因為安裝了紅外線傳感器，從而能感知紅外線，導(dǎo)致門被打開，故C錯誤；燈要求夜晚亮、白天熄，而白天有光，黑夜沒有光，則是由光導(dǎo)致電路的電流變化，所以電路中光傳感器導(dǎo)致電阻變化，實現(xiàn)自動控制，因此是利用半導(dǎo)體的光敏性，即為光電傳感器，故D錯誤。方法技巧方法技巧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(jié)合電路結(jié)構(gòu)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(guān)物理量的變化。針對訓(xùn)練針對訓(xùn)練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(dāng)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?nèi)酢窘馕觥緾R2與燈泡L并聯(lián)后再與R1串聯(lián)，與電源構(gòu)成閉合電路，當(dāng)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，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡的亮度變強，R1兩端的電壓減小，故只有C正確?？键c2：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(zhì)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(dāng)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(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，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(zhì)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【例2】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作用于可動膜片電極上時，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(zhuǎn)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【解析】A壓力F作用時，極板間距d變小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，電容器電容C變大，又根據(jù)Q＝CU，極板帶電荷量變大，所以電容器應(yīng)充電，靈敏電流計中產(chǎn)生由正接線柱流入的電流，所以指針將右偏。F不變時，極板保持固定后，充電結(jié)束，指針回到零刻度。故選A。方法技巧方法技巧電容式傳感器是一種多功能傳感器，可把壓力、轉(zhuǎn)角、位移、壓強、聲音等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這一電學(xué)量，分析原理時，關(guān)鍵要搞清是哪個非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容，然后結(jié)合電容的決定式來分析。針對訓(xùn)練針對訓(xùn)練2.傳感器是將能感受的物理量(如力、熱、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(一般是電學(xué)量)的一類元件，在自動控制中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)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(dǎo)電液體構(gòu)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(guān)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①、③正確C．只有②正確 D．只有②、④正確【解析】B液面高度的變化，相當(dāng)于電容器極板正對面積的變化。當(dāng)h增大時，相當(dāng)于正對面積增大，則電容應(yīng)增大；當(dāng)h減小時，相當(dāng)于正對面積減小，電容C應(yīng)減小，B正確。提分作業(yè)提分作業(yè)考點一敏感元件的認識與使用1．(多選)如圖所示，用光敏電阻LDR和燈泡制成的一種簡易水污染指示器，下列說法中正確的是()A．嚴重污染時，LDR是高電阻B．輕度污染時，LDR是高電阻C．無論污染程度如何，LDR的電阻不變，阻值大小由材料本身因素決定D．該儀器的使用會因為白天和晚上受到影響【解析】AD嚴重污染時，透過污水照到LDR上的光線較少，LDR電阻較大，A正確，B錯誤；LDR由半導(dǎo)體材料制成，受光照影響，電阻會發(fā)生變化，C錯誤；白天和晚上自然光的強弱不同，或多或少會影響LDR的電阻，D正確。2．小強用恒溫箱進行實驗時，發(fā)現(xiàn)恒溫箱的溫度持續(xù)升高，無法自動控制。經(jīng)檢查，恒溫箱的控制器沒有故障。參照原理圖，下列對故障判斷正確的是()A．只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障B．只可能是溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障C．熱敏電阻和溫度設(shè)定裝置都可能出現(xiàn)故障D．可能是加熱器出現(xiàn)故障【解析】C由恒溫箱原理圖可知，若熱敏電阻出現(xiàn)故障或溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障都會向控制器傳遞錯誤信息，導(dǎo)致控制器發(fā)出錯誤指令，故C正確，A、B錯誤；若加熱器出現(xiàn)故障，只有一種可能，即不能加熱，而題中加熱器一直加熱才會使溫度持續(xù)升高，故D錯誤。3．如圖(a)所示的電路中，光敏電阻R2加上圖(b)所示的光照時，R2兩端的電壓變化規(guī)律是圖中的()ABCD【解析】B光敏電阻隨光照的增強電阻減小，電路中電流增大，電阻R1兩端電壓增大，R2兩端電壓減小，但不能減小到零。故選項B正確。4．如圖所示是觀察電阻R隨溫度變化情況的示意圖。現(xiàn)在把杯中的水由冷水換為熱水，關(guān)于歐姆表的讀數(shù)變化情況正確的是()A．如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且變化非常明顯B．如果R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且變化不明顯C．如果R為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化非常明顯D．如果R為熱敏電阻(用半導(dǎo)體材料制作)，讀數(shù)變化不明顯【解析】C若為金屬熱電阻，溫度升高后，電阻變大，但由于金屬熱電阻靈敏度較差，故歐姆表讀數(shù)變大但不明顯，選項A、B錯誤；若為用半導(dǎo)體材料制作的熱敏電阻，由于熱敏電阻的靈敏度較高，讀數(shù)將明顯變化，選項C正確，選項D錯誤。5．(多選)如圖所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動計數(shù)的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是光敏電阻，R是普通定值電阻，下列說法中正確的是()A．當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小B．當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大C．當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小D．當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大【解析】ADB是光敏電阻，其阻值隨光照強度的增大而減小。當(dāng)沒有物品擋住光時，光射向B，B的阻值減小，其電流變大，由U＝E－Ir知電壓表讀數(shù)變小，A正確，B錯誤；有物品時，光被擋住，B的阻值增大，電流減小，電壓表讀數(shù)變大，C錯誤，D正確。6．(多選)如圖所示為某商廈安裝的光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖。其中A為光源，B為由電動機帶動勻速運動的自動扶梯，R1為光敏電阻，R2為定值電阻。每當(dāng)扶梯上有顧客經(jīng)過擋住由A射向R1的光線時，計數(shù)器就計數(shù)一次。下列說法正確的是()A．當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓B．當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓C．信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次D．信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次【解析】BC當(dāng)光線照射R1時，R1阻值減小，R總減小，且電源電壓不變，由閉合電路歐姆定律得I＝eq\f(E,R總)，電路中的電流增大，R2是定值電阻，U2＝IR2，R2兩端電壓增大，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓，所以選項A錯誤，B正確；根據(jù)前面分析可知，每當(dāng)有人經(jīng)過時，即沒有光照時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓，信號處理系統(tǒng)計數(shù)一次，即信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次，所以選項C正確，D錯誤。7．影響物質(zhì)材料電阻率的因素很多，一般金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增大，而半導(dǎo)體材料的電阻率則與之相反，隨溫度的升高而減小。某課題研究組在研究某種導(dǎo)電材料的用電器件Z的導(dǎo)電規(guī)律時，利用如圖甲所示的分壓電路，測得其電壓與電流的關(guān)系如表所示：U/V0.400.600.801.001.201.501.60I/A0.200.450.801.251.802.813.20甲乙（1）根據(jù)表中數(shù)據(jù)，用電器件Z可能屬于上述哪類材料？（2）把用電器件Z接入圖乙所示的電路中，閉合開關(guān)，電流表的讀數(shù)為1.8A，電池的電動勢為3V，內(nèi)阻不計，電阻R的電功率為多大？【解析】(1)由表格中數(shù)據(jù)可得，電阻隨電壓的增大而減小，而電壓越大，用電器件溫度越高，所以為半導(dǎo)體材料。(2)查表I＝1.8A時，Z的電壓為1.2V，則UR＝E2－UZ＝3V－1.2V＝1.8V。PR＝IUR＝1.8×1.8W＝3.24W?？键c二電容式傳感器8．(多選)電容式傳感器的用途非常廣泛，由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時就能引起電容的變化，如圖是某種電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這個傳感器的作用，下列說法正確的是()A．可以通過電介質(zhì)的左右移動來測量位移B．可以通過電介質(zhì)的左右移動再結(jié)合時間來測量速度C．可以通過電介質(zhì)的左右移動來測量極板受到的壓力D．可以通過電介質(zhì)的左右移動結(jié)合時間來測量極板的速度【解析】AB電容器可以由電介質(zhì)的變化引起電容的變化測量位移x，也可以結(jié)合時間來測量位移變化的快慢即速度。故A、B選項正確；電介質(zhì)的運動與極板的變化都影響電容的變化，故不能通過電介質(zhì)的運動來測量極板受到的壓力及極板的運動快慢，C