認(rèn)識傳感器-常見傳感器的工作原理及應(yīng)用-高中物理選擇性必修二

5.1認(rèn)識傳感器5.2常見傳感器的工作原理及應(yīng)用一輛遙控小車，可以用手來遙控它的發(fā)動與停止，怎樣做到的呢？小車上方安裝了干簧管，手中隱藏了小磁片，它們共同組成了能感應(yīng)磁場的開關(guān)——傳感器。1、傳感器有哪些？2、在分析傳感器時要明確：(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；(3)是如何顯示或控制開關(guān)的？一、神奇的傳感器

1.聲光控開關(guān)2.紅外線傳感器

3.乙醇傳感器

傳感器：在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器是指這樣一類器件或裝置：它能感受諸如力、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)換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。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。思考與討論：傳感器的使用使我們的生活更加方便、安全和舒適。生活中，你還發(fā)現(xiàn)哪些地方用了傳感器？請你根據(jù)需要大膽地設(shè)想：在家里、學(xué)校和生活的社區(qū)，什么地方應(yīng)該安裝傳感器？這些傳感器要起什么作用？典例精析下列應(yīng)用了溫度傳感器的是（）A．商場里的自動玻璃門B．夜間自動打開的路燈C．自動恒溫冰箱D．樓梯口的夜間有聲音時就亮的燈解析：A、商場里的自動玻璃門是應(yīng)用了紅外線傳感器，A錯誤；B、夜間自動打開的路燈是利用了光傳感器，B錯誤；C、自動恒溫冰箱是利用了溫度傳感器，C正確；D、夜間有聲音時就亮的樓梯燈是利用了聲音傳感器，D錯誤.C變式訓(xùn)練關(guān)于傳感器，下列說法正確的是（）A．金屬材料不可以制成傳感器B．光敏電阻和熱敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的C．傳感器主要是通過感知電阻的變化來傳遞信號的D．以上說法都不正確解析：A、傳感器材料分半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料，故A錯誤；B、光敏電阻和熱敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的，故B正確，D錯誤；C、傳感器一定是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信號的，不一定是通過感知電阻的變化來傳遞信號的，故C錯誤.B

傳感器：在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器是指這樣一類器件或裝置：它能感受諸如力、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)換為便于傳送和處理的可用信號輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。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。技法點撥二、傳感器的種類

傳感器的種類很多，作為一門知識密集型技術(shù)，它與許多學(xué)科有關(guān)：有的利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)制作而成，如力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器；有的利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機或有機化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號，如離子傳感器、氣體傳感器等化學(xué)傳感器；有的利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)，如酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等生物傳感器。

在林林總總的傳感器世界中，大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)制作的。這類傳感器種類最多，應(yīng)用領(lǐng)域也最廣泛。例如，一部普通的智能手機中就安裝有十幾種傳感器，能感受聲音、圖像、壓力、磁場、加速度等各種信息。它們原理各異，分類方法也不同。根據(jù)被測量的不同，可分為聲、光、壓力、位移、加速度、溫度等傳感器；根據(jù)具體工作原理的不同，可分為電阻式、電容式、電感式、光電式、熱電式、壓電式、磁電式等傳感器。典例精析辦公大樓的大門能“看到”人的到來或離開而自動開和關(guān)，利用了下列哪種傳感器（）A．生物傳感器 B．紅外傳感器 C．溫度傳感器 D．壓力傳感器C變式訓(xùn)練夜幕降臨時，路邊上的路燈就會自動亮起，因為控制路燈的電路中安裝了下列哪種傳感器（）A．溫度傳感器 B．紅外線傳感器C．光敏傳感器 D．聲音傳感器解析：夜幕降臨時，路邊上的路燈就會自動亮起，說明控制電路的是光敏元件，故是光敏傳感器。C

傳感器的種類很多，作為一門知識密集型技術(shù)，它與許多學(xué)科有關(guān)：有的利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)制作而成，如力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器；有的利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機或有機化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號，如離子傳感器、氣體傳感器等化學(xué)傳感器；有的利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)，如酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等生物傳感器。技法點撥三、傳感器的組成和應(yīng)用模式

傳感器種類繁多，工作原理各異，外觀和結(jié)構(gòu)也千差萬別，但是，傳感器的基本部分一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。它們分別完成檢測和轉(zhuǎn)換兩個基本功能。應(yīng)該指出的是，并不是所有傳感器都能夠明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電學(xué)量，它就同時兼為轉(zhuǎn)換元件。這種敏感元件和轉(zhuǎn)換元件二者合一的傳感器是很多的。例如，熱電偶、壓電晶體等都是這種形式的傳感器。

被測非電學(xué)量信號經(jīng)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件作用后，所輸出的電信號一般都很微弱，難以帶動執(zhí)行機構(gòu)去實現(xiàn)控制動作，因此要通過信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路把這個電信號放大。如果需要遠(yuǎn)距離傳送，還要把它轉(zhuǎn)換成其他電信號以抵御外界干擾。如何應(yīng)用從傳感器獲得的信號呢？可以用指針式電表或數(shù)字屏等顯示測量的數(shù)據(jù)；也可以用來驅(qū)動繼電器或其他元件，來執(zhí)行諸如打開管道的閥門、開通或關(guān)閉電動機等動作；還可以由計算機對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)出更復(fù)雜的指令。概括起來，傳感器應(yīng)用的一般模式可如圖所示?？茖W(xué)漫步機器人1920年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小說中構(gòu)思了一個機器人，名字叫Robot。它可以不吃飯，卻能不知疲倦地工作，展現(xiàn)了人類持續(xù)多年的一種愿望。

1947年，世界上第一個機器人在美國誕生。這是一臺為反應(yīng)堆搬運核燃料的簡單機器，代替人來從事危險的工作。此后，由于現(xiàn)代制造業(yè)的需求，有關(guān)機器人的研究迅速發(fā)展起來。圖是幾個機器人的實例。根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)和功能，可以粗略地把它們分為三代。第一代機器人對外界沒有感覺，只能按照編好的程序，由內(nèi)部的計算機安排它的動作，例如汽車生產(chǎn)線上用于點焊的機器人。第二代機器人有了感覺，它身上安裝的傳感器能起到人的感官的作用。例如，利用光傳感器能讓機器人沿著地面上畫出的白色軌跡運動；利用圖像傳感器能讓機器人產(chǎn)生視覺來識別燒杯和鐵塊，當(dāng)它的手拿著燒杯時，力傳感器產(chǎn)生觸覺會使它的手指感知壓力和滑動，從而既能拿住又不會捏碎。第三代是智能機器人，是人們夢寐以求的，也是當(dāng)前正在努力發(fā)展的。它以人工智能理論和現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠自主地從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，不斷完善自身的程序，增強自己的功能。

機器人的種類很多。應(yīng)用最廣泛的是工業(yè)機器人，它們能把人從繁重的體力勞動和危險的環(huán)境中解放出來，極大地提高了生產(chǎn)率。服務(wù)型機器人主要用于清潔、加油、導(dǎo)盲、搶險等方面。它們通常具有一個移動平臺，其上有操作臂，還安裝了觸覺、視覺、聽覺及超聲測距等傳感器，能夠識別周邊的環(huán)境、判斷自己的運動。醫(yī)療機器人是近些年來發(fā)展迅速的一個新領(lǐng)域。醫(yī)療機器人能夠幫助醫(yī)生做復(fù)雜的手術(shù)，減輕醫(yī)生的疲勞，保證手術(shù)的精確和成功?？臻g機器人是最復(fù)雜、最昂貴的機器人，用于探測太空，我國探月工程中使用的玉兔號巡視器（章首圖）就是一個典型代表。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，機器人變得越來越“聰明”，它們是否有一天會完全取代人類的工作？人類的前途是否堪憂？實際上，科技本身并沒有好壞之分，是人類決定了如何去使用它。面對科技進(jìn)步，人類應(yīng)該衡量和思考，該如何運用這些技術(shù)才會對社會更有益，使世界變得更加美好。典例精析關(guān)于傳感器工作的一般流程，下列說法中正確的是（）A．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量→轉(zhuǎn)換元件B．電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→非電學(xué)量C．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量D．非電學(xué)量→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→敏感元件→電學(xué)量解析：傳感器一定是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信號的，傳感器工作的一般流程為：非電學(xué)量被敏感元件感知，然后通過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號，再通過轉(zhuǎn)換電路將此信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸或測量的電學(xué)量。所以C正確，ABD錯誤。C變式訓(xùn)練下列生活中利用傳感器把光信號變成電信號的是（）A．用遙控器控制電視機的開關(guān)B．走廊照明燈的聲控開關(guān)C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器解析：A、電視機遙控器是光傳感器，將光信號變成電信號，故A正確；B、聲控開關(guān)是聲音傳感器，將聲音信號變成電信號，故B錯誤；C、壓力傳感裝置將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，故C錯誤；D、溫控器是將溫度信號轉(zhuǎn)化為電路的通斷，故D錯誤.A能使人的眼睛產(chǎn)生視覺效應(yīng)的電磁波，稱為可見光。可見光的波長為400?760nm。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，波長（頻率）范圍不同的光表現(xiàn)為不同的顏色。技法點撥小結(jié)和回顧日常的傳感器，工業(yè)生產(chǎn)傳感器的作用，以及這些傳感器的基本構(gòu)成（點出哪些具體組成）；傳感器的分類、發(fā)展和主要性能指標(biāo)，傳感器的動靜態(tài)特征，特別是傳感器的測量誤差計算。

日常的傳感器，工業(yè)生產(chǎn)傳感器的作用，以及這些傳感器的基本構(gòu)成（點出哪些具體組成）；傳感器的分類、發(fā)展和主要性能指標(biāo)，傳感器的動靜態(tài)特征，特別是傳感器的測量誤差計算。

我們知道，傳感器可以感受光強、溫度、力、磁等非電學(xué)量，并把它們轉(zhuǎn)換為常見的傳感器是怎樣感知非電學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的呢？利用不同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應(yīng)用呢？1、光敏電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量？2、熱敏電阻和金屬熱電阻有何異同？3、電飯鍋——感溫鐵氧體的應(yīng)用？四、光敏電阻

硫化鎘的電阻率與所受光照的強度有關(guān)。把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個互不相連的梳狀電極。硫化鎘表面受到的光照強度不同時兩個電極間的電阻不一樣。實驗：觀察光敏電阻的特性用多用電表測量1.光敏電阻在自然光照射下的電阻.2.光敏電阻在手掌遮住時的電阻大小

光敏電阻的應(yīng)用產(chǎn)品在流水線上，常需要對產(chǎn)品計數(shù)。如圖所示，是利用光敏電阻自動計數(shù)的示意圖。其中A是發(fā)光儀器，B是接收光信號的儀器，B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。典例精析下列關(guān)于傳感器說法中不正確的是（）A．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它將壓力大小轉(zhuǎn)化為可變電阻，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電壓信號B．話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號C．電熨斗能自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片，這種雙金屬片的作用是控制電路的通斷D．光敏電阻能夠把光照強度這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量B解析：A、電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，利用通過應(yīng)力片的電流一定，壓力越大，電阻越大，應(yīng)力片兩端的電壓差越大，將力信號變成電信號，故A正確；B、話筒是一種常用的聲波傳感器，其作用是聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，故B錯誤；C、電熨斗通過溫度傳感器，由于雙金屬片上下層膨脹系數(shù)不同，在同一溫度下的伸縮不一，從而實現(xiàn)溫度的自動控制，從而實現(xiàn)控制電路的通斷，故C正確；D、光敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的；其電阻值隨光照的強弱發(fā)生變化，能夠把光照強弱變化轉(zhuǎn)換為電阻大小變化；阻值隨光照的增強而減小，故D正確；因選不正確的.變式訓(xùn)練如圖所示，額溫槍因其具有快速、無接觸測溫的特點，廣泛應(yīng)用在各類新型冠狀病毒防控場所．額溫槍核心部件的傳感器是（）A．位移傳感器 B．聲音傳感器C．力傳感器 D．紅外溫度傳感器解析：額溫槍是通過測量人體發(fā)射的紅外線來感知人體體溫的，故其核心部件是紅外溫度傳感器，故D正確，ABC錯誤。D

光敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的；其電阻值隨光照的強弱發(fā)生變化，能夠把光照強弱變化轉(zhuǎn)換為電阻大小變化；阻值隨光照的增強而減小。技法點撥五、金屬熱電阻和熱敏電阻金屬溫度計：金屬鉑制成熱敏電阻：氧化錳等金屬氧化物制成除了光照以外，溫度也能明顯地影響金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。金屬熱電阻和熱敏電阻就是傳感器中常見的感知溫度的敏感元件。

金屬的電阻率隨溫度的升高而增大。用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。常用的一種熱電阻是用鉑制作的，可用來做電阻溫度計。與金屬不同，有些半導(dǎo)體在溫度上升時導(dǎo)電能力增強，因此可以用半導(dǎo)體材料制作熱敏電阻。有一種熱敏電阻是用氧化錳等金屬氧化物燒結(jié)而成的，它的電阻隨溫度的變化非常明顯。與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。金屬熱電阻和熱敏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。實驗：觀察熱敏電阻的特性利用金屬熱電阻和熱敏電阻的阻值與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，除了可用來測量溫度，還可以有其他用處。如圖所示，一些汽車的低油位報警裝置采用熱敏電阻來檢測油箱的警戒液位。若給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發(fā)熱。當(dāng)液面高于熱敏電阻的高度時，熱敏電阻發(fā)出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮（圖甲）。當(dāng)液體減少、熱敏電阻露出液面時，發(fā)熱導(dǎo)致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮（圖乙）。通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。典例精析關(guān)于傳感器，下列說法正確的是（）A．金屬材料不可以制成傳感器B．光敏電阻和熱敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的C．傳感器主要是通過感知電阻的變化來傳遞信號的D．以上說法都不正確B解析：A、傳感器材料分半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料，故A錯誤；B、光敏電阻和熱敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的，故B正確，D錯誤；C、傳感器一定是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信號的，不一定是通過感知電阻的變化來傳遞信號的，故C錯誤.變式訓(xùn)練下列關(guān)于傳感器的說法正確的是（）A．干簧管相當(dāng)于一個對干濕度敏感的彈簧管B．熱敏電阻和金屬熱電阻都是用半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)溫度升高時形成更多的空穴，導(dǎo)電能力明顯增強C．電熨斗裝有雙金屬片溫度傳感器，可以使其上下層溫度不同從而自動控制電路D．煙霧散射式火災(zāi)報警器有可能在有大量煙民同時吸煙的場所出現(xiàn)誤報警D解析：A、干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器，其作用是將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號，故A錯誤；B、熱敏電阻是半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度升高時，電阻減小，而金屬電阻隨著溫度升高時，導(dǎo)電能力減小，故B錯誤；C、電熨斗通過溫度傳感器，由于雙金屬片上下層膨脹系數(shù)不同，在同一溫度下的伸縮不一，從而實現(xiàn)溫度的自動控制，故C錯誤；D、煙霧散射式火災(zāi)報警器，煙霧進(jìn)入報警器，使其發(fā)生漫反射，從而將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，使其誤報警，故D正確.

熱敏電阻是半導(dǎo)體材料，當(dāng)溫度升高時，電阻減小，而金屬電阻隨著溫度升高時，導(dǎo)電能力減小。技法點撥六、電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是一種使用非常廣泛的力敏元件。電阻導(dǎo)體的材料、長度和橫截面積有關(guān)。當(dāng)金屬絲受到拉力時，長度變長、橫截面積變小，導(dǎo)致電阻變大；當(dāng)金屬絲受到壓力是，長度變短、橫截面積變大，導(dǎo)致電阻變小。————金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)

我們經(jīng)常見到的電子秤，它所使用的測力器件是力傳感器。常用的一種力傳感器是由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成的，其結(jié)構(gòu)如圖所示，稱為應(yīng)變式力傳感器。

這種力傳感器的工作原理如圖所示。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(yīng)變片。在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面應(yīng)變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越大。如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)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。應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用通過前面的學(xué)習(xí)可以知道，光敏電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片等電阻式傳感器的工作共性是通過測量電阻的變化來確定外界非電學(xué)量的變化。與之類似，電容器的電容C決定于極板的正對面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質(zhì)這三個因素。如果某個物理量的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定這個物理量的變化，由此可以制成電容式傳感器。電容式傳感器有非常廣泛的應(yīng)用。思考與討論電容式位移傳感器的工作原理是怎樣的？電容式位移傳感器能把物體的位移這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個電學(xué)量。拓展學(xué)習(xí)

霍爾元件

霍爾效應(yīng)

利用霍爾元件測量微小位移典例精析目前，傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域，關(guān)于傳感器的應(yīng)用，下列說法中正確的是（）A．自動洗衣機中的壓力傳感器、數(shù)字體重計所用的測力裝置都應(yīng)用了力傳感器B．走廊照明燈的聲控開關(guān)、紅外報警裝置都是應(yīng)用了聲傳