2024年高中物理第5章第12節(jié)揭開(kāi)傳感器的“面紗”常見(jiàn)傳感器的工作原理講義含解析魯科版選修3-2

PAGEPAGE6揭開(kāi)傳感器的“面紗”常見(jiàn)傳感器的工作原理1．傳感器的定義及作用(1)定義：能夠感受外界信息，并將其依據(jù)肯定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置。(2)作用：傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)限制系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著信息采集和轉(zhuǎn)化任務(wù)，把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量。(3)分類：我們可以按傳感器工作原理的不同把傳感器分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。(4)結(jié)構(gòu)：eq\x(非電學(xué)量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換電路)→eq\x(電學(xué)量)有一種電水壺為了防止燒干后引起事故，在水壺上安裝了傳感器，當(dāng)壺中的水削減到肯定程度時(shí)，就會(huì)自動(dòng)斷電，這種水壺上安裝了什么樣的傳感器？解析：這種水壺上安裝了壓力傳感器。當(dāng)水壺中的水削減到肯定程度時(shí)，壓力減小，壓力傳感器使電路斷開(kāi)，起愛(ài)護(hù)作用。2．光電傳感器(1)定義：是一種能夠感受光信號(hào)，并依據(jù)肯定規(guī)律把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置。(2)敏感元件：光敏電阻。(3)特性：光敏電阻器是用金屬硫化物等半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)光照耀到這些半導(dǎo)體物質(zhì)上時(shí)，它的電阻率減小，阻值也隨之減小。入射光強(qiáng)，電阻??；入射光弱，電阻大。(4)作用：用于光的測(cè)量和光的限制。3．溫度傳感器(1)定義：一種將溫度改變轉(zhuǎn)換為電學(xué)量改變的裝置。(2)敏感元件：常見(jiàn)的溫度傳感器有熱敏電阻和熱電偶等。(3)特性：熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，其電阻值隨溫度改變明顯，NTC熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù))的阻值，隨溫度上升而減小，PTC熱敏電阻的阻值隨溫度上升而增大，金屬熱電阻的電阻率一般隨溫度上升而增大。傳感器是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的裝置，請(qǐng)列舉日常生活中見(jiàn)到的傳感器。解析：公路兩旁的自動(dòng)限制路燈開(kāi)關(guān)的裝置，樓道內(nèi)的聲控?zé)粞b置，有些汽車、電動(dòng)車上安裝的自動(dòng)報(bào)警裝置等。1．核心元件(1)敏感元件是利用材料的某種敏感效應(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏)制成的。(2)轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件輸出的、與被測(cè)物理量成肯定關(guān)系的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的電子元件。2．組成傳感器的一般工作過(guò)程是：通過(guò)對(duì)某一物理量敏感的元件，將感受到的物理量按肯定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成。eq\x(非電學(xué)物理量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換電路)→eq\x(電學(xué)量)→eq\x(輸出)3．分類傳感器依據(jù)工作原理的不同可以分為以下三類：分類工作原理舉例物理傳感器利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測(cè)出待測(cè)對(duì)象信息壓電傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器等化學(xué)傳感器利用化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信息氣敏傳感器、濕敏傳感器等生物傳感器利用生物化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信號(hào)酶?jìng)鞲衅?、組織傳感器、細(xì)胞傳感器等[典例1]全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài)(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車平安行駛和駕駛員平安的舉措之一，為仿照汽車油表原理，某同學(xué)自制一種測(cè)定油箱油量多少或改變多少的裝置。如圖所示，其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端。該同學(xué)在裝置中運(yùn)用了一只電壓表(圖中沒(méi)有畫出)，通過(guò)視察電壓表示數(shù)，可以了解油量狀況，你認(rèn)為電壓表應(yīng)當(dāng)接在圖中的________兩點(diǎn)之間，依據(jù)你的接法請(qǐng)回答：當(dāng)油箱中油量削減時(shí)，電壓表的示數(shù)將________(填“增大”或“減小”)。[思路探究]eq\x(變阻器的連接方式)→eq\x(電阻改變)→eq\x(電流改變)→eq\x(電壓改變)[解析]由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度改變時(shí)，R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng)，從而引起R兩端電壓的改變，且當(dāng)R′?R時(shí)，UR＝IR可視為UR與R成正比，所以電壓表應(yīng)接在b、c之間，當(dāng)油量削減時(shí)，電壓表示數(shù)將增大。[答案]b、c增大1．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(cè)量的量(一般是電學(xué)量)的一類元件，在自動(dòng)限制中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，如圖所示的裝置是一種測(cè)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(gè)電容器，從電容C大小的改變狀況就能反映出液面高度h的凹凸?fàn)顩r，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?、蹸減小表示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：選B液面高度的改變，相當(dāng)于電容器極板正對(duì)面積的改變。當(dāng)h增大時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)面積增大，則電容應(yīng)增大；當(dāng)h減小時(shí)，相當(dāng)于正對(duì)面積減小，電容C應(yīng)減小，B正確。1．光敏電阻(1)特點(diǎn)：光敏電阻一般由金屬硫化物等半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時(shí)也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增加。(2)特性：光敏電阻的電阻隨光照的增加而減小。光敏電阻在被光照耀時(shí)電阻發(fā)生改變，這樣光敏電阻可以把光照強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個(gè)電學(xué)量。2．熱敏電阻(1)特點(diǎn)：熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，有溫度系數(shù)大、靈敏度極高、反應(yīng)快速、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。(2)分類：①正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC熱敏電阻)這種熱敏電阻的電阻率隨溫度上升而增大，其特性與金屬熱電阻相像，其電阻隨溫度的改變圖象如圖甲所示；②負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC熱敏電阻)這種熱敏電阻的電阻率隨溫度上升而明顯減小，其電阻隨溫度的改變圖象如圖乙所示。甲乙3．用途熱敏電阻是一種靈敏度極高的溫度傳感器，在測(cè)溫過(guò)程中反應(yīng)特別快。電子體溫計(jì)及家用電器(電腦、空調(diào)、冰箱等)的溫度傳感器，主要運(yùn)用熱敏電阻。[典例2]如圖所示是一火警報(bào)警器的一部分電路示意圖，其中R2為用NTC半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報(bào)警器，當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U的改變狀況是()A．I變大，U變大B．I變小，U變小C．I變小，U變大D．I變大，U變小[思路探究](1)明確NTC半導(dǎo)體熱敏材料制成的R2其電阻隨溫度如何改變。(2)知道R2在電路中的位置及電路結(jié)構(gòu)。[解析]當(dāng)R2處出現(xiàn)火情時(shí)，NTC熱敏材料制成的傳感器的電阻將減小，則此時(shí)電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知：外電路電壓將減小，U減?。浑娐分械目傠娏髟龃?，所以R1上的電壓增大，顯示器兩端的電壓將減小，電流I減小，B正確。[答案]B[總結(jié)提能]解決含有熱敏電阻的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題的思路(1)應(yīng)明確熱敏電阻的電阻特性。(2)依據(jù)閉合電路歐姆定律及串、并聯(lián)電路的性質(zhì)來(lái)分析電路中某一電阻改變而引起的整個(gè)電路中各部分電學(xué)量的改變狀況。(3)基本流程：R局→R總→I總→U端→R局。2．現(xiàn)有熱敏電阻、電熱絲、電源、電磁繼電器、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)各一個(gè)，導(dǎo)線若干，如圖所示，試設(shè)計(jì)一個(gè)溫控電路。要求溫度低于某一溫度時(shí)，電熱絲自動(dòng)通電加熱，超過(guò)某一溫度時(shí)，又可以自動(dòng)斷電，畫出電路圖并說(shuō)明工作過(guò)程。解析：熱敏電阻與滑動(dòng)變阻器及電磁繼電器構(gòu)成低壓限制電路，電路圖如圖所示。工作過(guò)程：閉合開(kāi)關(guān)S，當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)，熱敏電阻阻值大，通過(guò)電磁繼電器的電流小，電磁鐵磁性弱，不能將銜鐵P吸下，觸點(diǎn)K接通，電熱絲加熱；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，熱敏電阻阻值減小到某值，通過(guò)電磁繼電器的電流變大達(dá)到工作電流，電磁鐵磁性增加，將銜鐵P吸下，觸點(diǎn)K斷開(kāi)，電熱絲斷電，停止加熱；當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)，又重復(fù)前述過(guò)程。答案：見(jiàn)解析1．下列關(guān)于傳感器的說(shuō)法中正確的是()A．全部傳感器的材料都是由半導(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(guò)感知電壓的改變來(lái)傳遞信號(hào)的D．以上說(shuō)法都不正確解析：選B半導(dǎo)體材料可以制成傳感器，其他材料也可以制成傳感器，如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計(jì)，A錯(cuò)誤，B正確；傳感器不但能感知電壓的改變，還能感受力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，C錯(cuò)誤。2．下列關(guān)于物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器的說(shuō)法中正確的是()A．物理傳感器利用材料的某種物理性質(zhì)工作，因而只能用于機(jī)械加工行業(yè)不能用于化工領(lǐng)域B．化學(xué)傳感器是利用某種化學(xué)反應(yīng)來(lái)工作的，因而只能輸出某種化學(xué)物質(zhì)而不能輸出電學(xué)量C．生物傳感器的適用范圍廣，可在隨意溫度條件下工作D．生物傳感器由于含有生命物質(zhì)，因而對(duì)運(yùn)用傳感器的環(huán)境條件有肯定要求解析：選D不論哪種傳感器都可以將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量輸出，B錯(cuò)誤；物理傳感器在化工領(lǐng)域也可以運(yùn)用，如溫度傳感器等，A錯(cuò)誤；生物傳感器能夠運(yùn)用的前提是感受器中的生命物質(zhì)保持生物活性，C錯(cuò)誤，D正確。3．下列說(shuō)法正確的是()A．凡將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的傳感器都是物理傳感器B．濕敏傳感器只能是物理傳感器C．物理傳感器只能將采集到的信息轉(zhuǎn)化為電壓輸出D．物理傳感器利用的是物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)解析：選D各種傳感器雖然工作原理不同，但基本功能相像，多數(shù)是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，A錯(cuò)誤；濕敏傳感器為化學(xué)傳感器，B錯(cuò)誤；傳感器既可將信息轉(zhuǎn)化為電壓輸出，也可轉(zhuǎn)化為電流、電阻等輸出，C錯(cuò)誤；由物理傳感器定義知，D正確。4．用多用電表的歐姆擋測(cè)量NTC熱敏電阻和光敏電阻的阻值時(shí)，下列說(shuō)法中正確的是()①測(cè)