2019年高中物理第5章第1、2节揭开传感器的“面纱”常见传感器的工作原理讲义（含解析） 6页

揭开传感器的“面纱”常见传感器的工作原理1．传感器的定义及作用(1)定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置。(2)作用：传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转化任务，把非电学量转化为电学量。(3)分类：我们可以按传感器工作原理的不同把传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。(4)结构：→→→→有一种电水壶为了防止烧干后引起事故，在水壶上安装了传感器，当壶中的水减少到一定程度时，就会自动断电，这种水壶上安装了什么样的传感器？解析：这种水壶上安装了压力传感器。当水壶中的水减少到一定程度时，压力减小，压力传感器使电路断开，起保护作用。2．光电传感器(1)定义：是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置。(2)敏感元件：光敏电阻。(3)特性：光敏电阻器是用金属硫化物等半导体材料制成的，当光照射到这些半导体物质上时，它的电阻率减小，阻值也随之减小。入射光强，电阻小；入射光弱，电阻大。(4)作用：用于光的测量和光的控制。3．温度传感器(1)定义：一种将温度变化转换为电学量变化的装置。(2)敏感元件：常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等。(3)特性：热敏电阻是用半导体材料制成的，其电阻值随温度变化明显，NTC热敏电阻(负温度系数)的阻值，随温度升高而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，金属热电阻的电阻率一般随温度升高而增大。传感器是将非电学量转换为电学量的装置，请列举日常生活中见到的传感器。n解析：马路两旁的自动控制路灯开关的装置，楼道内的声控灯装置，有些汽车、电动车上安装的自动报警装置等。1．核心元件(1)敏感元件是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏)制成的。(2)转换元件是传感器中能将敏感元件输出的、与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。2．组成传感器的一般工作过程是：通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量。一般由敏感元件、转换元件、转换电路三个部分组成。―→―→―→―→―→3．分类传感器按照工作原理的不同可以分为以下三类：分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等化学传感器利用化学反应识别和检测信息气敏传感器、湿敏传感器等生物传感器利用生物化学反应识别和检测信号酶传感器、组织传感器、细胞传感器等[典例1]　全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)。n[思路探究]　―→―→―→[解析]　由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c之间，当油量减少时，电压表示数将增大。[答案]　b、c　增大1．传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是(　　)①C增大表示h增大　　②C增大表示h减小③C减小表示h减小④C减小表示h增大A．只有①正确B．只有①、③正确C．只有②正确D．只有②、④正确解析：选B　液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。1．光敏电阻(1)特点：光敏电阻一般由金属硫化物等半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。(2)特性：光敏电阻的电阻随光照的增强而减小。光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。n2．热敏电阻(1)特点：热敏电阻由半导体材料制成，有温度系数大、灵敏度极高、反应迅速、体积小、寿命长等优点。(2)分类：①正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻)这种热敏电阻的电阻率随温度升高而增大，其特性与金属热电阻相似，其电阻随温度的变化图象如图甲所示；②负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)这种热敏电阻的电阻率随温度升高而明显减小，其电阻随温度的变化图象如图乙所示。　　　　　甲　　　　　　　　　　　乙3．用途热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器，在测温过程中反应非常快。电子体温计及家用电器(电脑、空调、冰箱等)的温度传感器，主要使用热敏电阻。[典例2]　如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用NTC半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是(　　)A．I变大，U变大　　　　　B．I变小，U变小C．I变小，U变大D．I变大，U变小[思路探究](1)明确NTC半导体热敏材料制成的R2其电阻随温度如何变化。(2)知道R2在电路中的位置及电路结构。[解析]　当R2处出现火情时，NTC热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，U减小；电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流I减小，B正确。[答案]　B[总结提能]解决含有热敏电阻的动态分析问题的思路n(1)应明确热敏电阻的电阻特性。(2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。(3)基本流程：R局→R总→I总→U端→R局。2．现有热敏电阻、电热丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关各一个，导线若干，如图所示，试设计一个温控电路。要求温度低于某一温度时，电热丝自动通电加热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。解析：热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路，电路图如图所示。工作过程：闭合开关S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器的电流小，电磁铁磁性弱，不能将衔铁P吸下，触点K接通，电热丝加热；当温度达到设计值时，热敏电阻阻值减小到某值，通过电磁继电器的电流变大达到工作电流，电磁铁磁性增强，将衔铁P吸下，触点K断开，电热丝断电，停止加热；当温度低于设计值时，又重复前述过程。答案：见解析1．下列关于传感器的说法中正确的是(　　)A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的B．金属材料也可以制成传感器C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D．以上说法都不正确解析：选B　半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物n氧化锰就可以制成温度计，A错误，B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，C错误。2．下列关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的说法中正确的是(　　)A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求解析：选D　不论哪种传感器都可以将非电学量转化成电学量输出，B错误；物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，A错误；生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，C错误，D正确。3．下列说法正确的是(　　)A．凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器B．湿敏传感器只能是物理传感器C．物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出D．物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应解析：选D　各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数是将非电学量转化为电学量，A错误；湿敏传感器为化学传感器，B错误；传感器既可将信息转化为电压输出，也可转化为电流、电阻等输出，C错误；由物理传感器定义知，D正确。4．用多用电表的欧姆挡测量NTC热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法中正确的是(　　)①测NTC热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大　②测NTC热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越小　③测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大　④测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小A．①③　　　B．①④　　　C．②③　　　D．②④解析：选B　NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而变小；光敏电阻的阻值，光照越强，电阻越小。另外还要注意多用电表使用欧姆挡时的指针偏转特性，故①、④正确。