第五章傳感器第1、2節(jié)認識傳感器常見傳感器的工作原理核心素養(yǎng)導(dǎo)學物理觀念(1)感受傳感器，知道傳感器是把非電學量轉(zhuǎn)換成電學量的器件或裝置。(2)了解溫度傳感器、光傳感器、力傳感器的物理特性和用途?？茖W思維(1)體會傳感器將非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的物理意義。(2)通過對傳感器原理和應(yīng)用的了解，體會傳感器在實際應(yīng)用中的價值?？茖W探究探究傳感器的工作原理及傳感器在實際應(yīng)用中的一般模式。科學態(tài)度與責任體會傳感器在某些方面可以代替甚至超過人類對自然的感知，能夠改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。一、認識傳感器1．傳感器的定義：把被測的非電信息，按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的________的器件或裝置。有時又被稱為探測器或變換器。2．傳感器的結(jié)構(gòu)(1)結(jié)構(gòu)：電信號(2)敏感元件：直接感受諸如壓力、光照、溫度、磁場、氣體等______信息，并將這些信息變換成_______測量的物理量的元件。包括力敏元件、光敏元件、熱敏元件、磁敏元件、氣敏元件等。(3)轉(zhuǎn)換元件：又稱傳感元件，將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成________的元件。(4)信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路：對轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行_______、消除干擾，轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄、處理和控制的________的轉(zhuǎn)換電路。非電易于電學量放大電學量3．傳感器的分類(1)物理傳感器：利用力、熱、光、_______和聲等物理效應(yīng)的傳感器。(2)化學傳感器：利用化學反應(yīng)的原理檢測物質(zhì)的種類和_______的傳感器。(3)生物傳感器：利用酶、抗體和_______等分子識別功能進行工作的傳感器。傳感器一般包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，但簡單的傳感器可以只有敏感元件。

電磁濃度激素二、常見傳感器的工作原理1．溫度傳感器(1)定義：將_______變化轉(zhuǎn)換成電學量變化的裝置。(2)感溫敏感元件①熱敏電阻a．負溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度升高而______，用NTC表示。b．正溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度升高而______，用PTC表示。②熱電阻：用______制作的感溫電阻，其阻值與溫度的關(guān)系是：R＝R0(1＋θt)。③熱雙金屬片：利用不同金屬材料________不同來感知溫度，控制電路的通斷。溫度減小增大金屬絲膨脹系數(shù)2．光傳感器受到光照時，可以產(chǎn)生電流或電壓，實現(xiàn)光信號向________轉(zhuǎn)化的傳感器。3．力傳感器：把______量轉(zhuǎn)換為電學量的裝置。常用的力傳感器是由鋁合金梁和_________組成的應(yīng)變式力傳感器。,1.當我們進入賓館的大門時，門自動開啟，當我們通過后，門自動關(guān)閉。這是為什么？提示：紅外線傳感器探測到有人進入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達運行，使門扇開啟。門扇開啟后由控制器做出判斷，如需關(guān)門，通知馬達做反向運動，關(guān)閉門扇。電信號力學應(yīng)變片2.

傳感器的應(yīng)用促進了人工智能的發(fā)展，無人駕駛汽車就是典型的實例。判斷下列流程是否正確。(1)非電學量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→電學量→轉(zhuǎn)換元件。

()(2)電學量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→非電學量。

()(3)非電學量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學量。

()××√3．如圖是應(yīng)變片的原理及力學傳感器的應(yīng)用的圖片。(1)電子秤的敏感元件是什么？(2)電阻應(yīng)變片是怎樣把非電學量轉(zhuǎn)化為電學量的？提示：(1)電阻應(yīng)變片。(2)當電阻應(yīng)變片長度和橫截面積發(fā)生變化時，由電阻定律可知電阻發(fā)生變化。4．如圖所示，電吉他的弦是軟磁性材料，當弦振動時，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流輸送到放大器、喇叭，把聲音播放出來。判斷以下說法的正誤。(1)電吉他是光電傳感器。

()(2)電吉他是溫度傳感器。

()(3)電吉他是聲音傳感器。

()××√新知學習(一)|傳感器的工作原理[任務(wù)驅(qū)動]干簧管結(jié)構(gòu)如圖甲所示，它是在玻璃管內(nèi)封入的兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙所示電路，當磁鐵靠近干簧管時。(1)觀察到什么現(xiàn)象？(2)干簧管的原理是什么？提示：(1)磁鐵靠近干簧管時，燈泡就會發(fā)光；把磁鐵移走，燈泡熄滅。(2)干簧管的兩個簧片在外加磁場的作用下被磁化成相反磁性的磁極而連通，沒有外加磁場時兩簧片失去磁性而分開。

[重點釋解]傳感器感受的通常是非電學量，如壓力、溫度、位移、濃度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作。傳感器的工作原理如下所示。[針對訓練]1．關(guān)于傳感器，下列說法正確的是

(

)A．所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料做成的B．金屬材料也可以制成傳感器C．傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的D．以上說法都不正確解析：大多數(shù)傳感器是由半導(dǎo)體材料做成的，某些金屬也可以做傳感器，如金屬熱電阻。傳感器將非電學信號轉(zhuǎn)換為電學信號，因此傳感器感知的應(yīng)該是“非電學信號”，故B正確。答案：B

2．當你走近某些賓館、酒樓的大門時，門就會自動為你打開；當你走進門之后，門又在你身后自動關(guān)上。你覺得這可能是將下列哪種外界信息轉(zhuǎn)換為有用的信息

(

)A．溫度 B．運動C．人

D．光線解析：自動門的自動控制要求靈敏、可靠，若以溫度控制，人的體溫與夏季氣溫接近，則在夏季自動門將無法使用。自動門實際使用的是紅外線傳感器，紅外線屬于不可見光，人在白天或黑夜均發(fā)出紅外線，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線后傳給自動控制裝置的電動機，實現(xiàn)自動開、關(guān)門，D正確。答案：D

3．(多選)關(guān)于傳感器，下列說法正確的是

(

)A．麥克風工作時，將感受到的聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號B．電子秤工作時，將感受到的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號C．煙霧傳感器工作時，將感受到的煙霧濃度信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)自動報警D．聲控燈工作時，將感受到的聲音信號轉(zhuǎn)化為電能給燈泡供電解析：傳感器是一種信號轉(zhuǎn)換器，通常將感受到的外界信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，麥克風工作時將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，電子秤工作時將受到的物體的壓力大小的信息轉(zhuǎn)化為電信號，煙霧傳感器工作時將感受到的環(huán)境中的煙霧濃度信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)自動報警，A、B、C正確；聲控燈工作時利用聲控開關(guān)控制電路的通斷，將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，并不是給燈泡供電，D錯誤。答案：ABC

新知學習(二)|電阻式傳感器的應(yīng)用[重點釋解]

熱敏電阻金屬熱電阻光敏電阻電阻應(yīng)變片特點正溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻變大；負溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨溫度升高電阻減小電阻率隨溫度的升高而增加在強光下電阻小，在暗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(dǎo)體金屬把硫化鎘涂敷在絕緣板上，其表面鍍銀金屬材料續(xù)表[典例體驗][典例]

(2022·山東青島調(diào)研)藥物生產(chǎn)車間需要嚴格控制室內(nèi)溫度范圍，盡量保證較小的溫度波動。如圖是某監(jiān)控溫度波動的報警系統(tǒng)原理圖，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，當報警器兩端的電壓變化量超出設(shè)定值時，報警器就會自動報警。下列說法正確的是

(

)A．溫度升高，報警器兩端電壓減小B．溫度降低，熱敏電阻的熱功率一定增大C．滑動變阻器接入電路的阻值越大，報警器越容易報警D．滑動變阻器接入電路的阻值與報警器是否容易報警無關(guān)[解析]

溫度升高，熱敏電阻的阻值減小，電路中總電阻減小，總電流增大，內(nèi)電壓增大，路端電壓減小，則報警器兩端電壓減小，A正確；溫度降低，熱敏電阻的阻值增大，電路中總電阻增大，總電流減小，內(nèi)電壓減小，路端電壓增大，則報警器兩端電壓增大，通過熱敏電阻的電流減小，根據(jù)熱功率表達式P＝I2R，可知熱敏電阻的熱功率不一定增大，B錯誤；若滑動變阻器接入電路的阻值很大，當熱敏電阻的阻值變化時，報警器兩端的電壓變化量不大，報警器不容易報警，因此滑動變阻器接入電路的阻值與報警器是否容易報警有關(guān)，C、D錯誤。[答案]

A/方法技巧/含傳感器的電路動態(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。

[針對訓練]1.

(2022·煙臺高二檢測)(多選)光敏電阻被光照射時電阻會變小。如圖所示，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，在有光照射光敏電阻R1時，燈泡L正常發(fā)光。當無光照射R1時，下列判斷中正確的是

(

)A．通過光敏電阻R1的電流將變小B．光敏電阻R1兩端的電壓不變C．電源兩端的電壓變大D．燈泡消耗的功率變大解析：由題知光敏電阻被光照射時電阻會變小，當無光照射R1時電阻增大，根據(jù)閉合電路歐姆定律得知，通過光敏電阻R1的電流將變小，故A正確。光敏電阻R1兩端的電壓U1＝E－I(RL＋r)，I變小，U1增大，故B錯誤。由于電源兩端的電壓隨外電阻的增大而增大，所以電源兩端的電壓變大，故C正確。燈泡的電阻不變，電流變小，其消耗的功率變小，故D錯誤。答案：AC

2.

如圖所示是一火警報警器的一部分電路示意圖，其中R2為用半導(dǎo)體熱敏電阻(阻值隨溫度的升高而減小)制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器。當傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是

(

)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變小解析：當R2處出現(xiàn)火情時，熱敏電阻的阻值將減小，則此時電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知，路端電壓將減小，電路中的總電流增大，所以R1兩端的電壓增大，由于路端電壓減小，則并聯(lián)部分的電壓減小，通過R3的電流I變小，所以顯示器的電流I變小，報警器兩端的電壓U變小，故B正確。答案：B

[系統(tǒng)歸納]1．傳感器綜合問題的分析步驟物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學量的器件。我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個步驟：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、傳輸。(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作。2．分析傳感器問題要注意三點感受量分析要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等輸出信號分析明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號，以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律電路結(jié)構(gòu)分析認真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律[針對訓練]1.

酒精測試儀用于機動車駕駛?cè)藛T是否酗酒及其他嚴禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場檢測。它利用的是一種二氧化錫半導(dǎo)體型酒精氣體傳感器，酒精氣體傳感器的電阻隨酒精氣體濃度的變化而變化。在如圖所示的電路中，酒精氣體的不同濃度對應(yīng)著傳感器的不同電阻。這樣，電壓表的示數(shù)就與酒精氣體濃度有了對應(yīng)關(guān)系。如果二氧化錫半導(dǎo)體型酒精氣體傳感器電阻的倒數(shù)與酒精氣體的濃度成正比，那么，電壓表示數(shù)U與酒精氣體濃度c之間的對應(yīng)關(guān)系正確的是

(

)A．U越大，表示c越大，c與U成正比B．U越大，表示c越大，但是c與U不成正比C．U越大，表示c越小，c與U成反比D．U越大，表示c越小，但是c與U不成反比2.

如圖是某同學在科技制作活動中自制的電子秤原理圖，利用電壓表(內(nèi)電阻很大)的示數(shù)來指示物體的質(zhì)量。托盤與電阻可忽略的彈簧相連，托盤與彈簧的質(zhì)量均不計?；瑒幼冏杵鞯幕瑒佣伺c彈簧上端連接，當托盤中沒有放物體時，電壓表的示數(shù)為零。設(shè)變阻器的總電阻為R，總長度為L，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，限流電阻為R0，彈簧的勁度系數(shù)為k，若不計一切摩擦和其他阻力。(1)求出電壓表示數(shù)Ux與所稱物體質(zhì)量m的關(guān)系式。(2)由(1)的計算結(jié)果可知，電壓表示數(shù)與待測物體質(zhì)量不成正比，不便于制作刻度。為使電壓表示數(shù)與待測物體質(zhì)量成正比，請利用原有器材進行改進，在如圖的基礎(chǔ)上完成改進后的電路原理圖，并求出電壓表示數(shù)Ux與待測物體質(zhì)量m的關(guān)系式。一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

科學思維——傳感器的電路分析1.

(選自魯科版新教材課后練習)壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設(shè)計了利用壓敏電阻判斷升降機運動狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖所示。將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動過程的某一段時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)I不變，且I大于升降機靜止時電流表的示數(shù)I0，在這段時間內(nèi)

(

)A．升降機可能勻速上升B．升降機一定勻減速上升C．升降機一定處于失重狀態(tài)D．通過壓敏電阻的電流一定比電梯靜止時大解析：I＞I0，說明R兩端分壓變大，電源內(nèi)阻分壓變小，總電流變小，總電阻變大，則壓敏電阻的阻值變大了，其所受壓力減小，物塊所受支持力小于重力，處于失重狀態(tài)，可能加速下降或減速上升，A、B錯誤，C正確；由于總電流變小，電流表示數(shù)變大，則通過壓敏電阻的電流比電梯靜止時小，D錯誤。答案：C

科學探究——分辨不同的傳感器元件2.(選自粵教版新教材課后練習)有三個失去標記的元件，分別是定值電阻、熱敏電阻和光敏電阻。為識別它們，可將這三個元件分別接入如圖所示電路中的A、B兩點間。用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)變化，這樣就可將它們區(qū)分開來。請簡述其中的原理。提示：用黑紙包住元件，歐姆表示數(shù)變大的是光敏