第五章傳感器1.認(rèn)識(shí)傳感器2.常見傳感器的工作原理及應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道什么是傳感器,理解傳感器的工作原理。(物理觀念)2.掌握制作傳感器的常用元件:光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應(yīng)變片的基本特性及工作原理。(物理觀念)3.體會(huì)傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的意義。(科學(xué)思維)4.了解傳感器在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。(科學(xué)思維)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過關(guān)一、神奇的傳感器傳感器能夠感受諸如力、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(hào)輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號(hào)是

、

等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)換為

。把

轉(zhuǎn)換為

,可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制。

電壓

電流電路的通斷非電學(xué)量電學(xué)量二、傳感器的種類根據(jù)被測量的不同,可分為

、

、

、

、

、

等傳感器;根據(jù)具體工作原理的不同,可分為

、

、

、

、

、

、

等傳感器。

【要點(diǎn)提示】

傳感器也可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。聲光壓力位移加速度溫度電阻式電容式電感式光電式熱電式壓電式磁電式三、傳感器的組成與應(yīng)用模式

敏感轉(zhuǎn)換四、光敏電阻1.光敏電阻是

中常見的光敏元件。

2.硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料,無光照時(shí),載流子

,導(dǎo)電性能

;隨著光照的增強(qiáng),載流子

,導(dǎo)電性變

。

3.光敏電阻能夠把

這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為

這個(gè)電學(xué)量。

光電傳感器極少差增多好光照強(qiáng)弱電阻五、金屬熱電阻和熱敏電阻1.溫度能明顯地影響金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。____________

和

就是傳感器中常見的感知溫度的敏感元件。

2.金屬的電阻率隨溫度的升高而

,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為

。

3.金屬熱電阻和熱敏電阻都能夠把

這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為_________

這個(gè)電學(xué)量。

金屬熱電阻熱敏電阻增大熱電阻溫度電阻六、電阻應(yīng)變片1.金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變(伸長或縮短)時(shí),其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。2.除了金屬電阻應(yīng)變片外,常用的電阻應(yīng)變片還有半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片,它的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的

。

3.電阻應(yīng)變片能夠把

這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為

這個(gè)電學(xué)量。

【要點(diǎn)提示】

光敏電阻、熱敏電阻和電阻應(yīng)變片都屬于電阻式傳感器,都是通過測量電阻的變化來確定外界非電學(xué)量的變化。壓阻效應(yīng)物體形變電阻情境鏈接火災(zāi)探測器的核心元件為光敏電阻,當(dāng)煙霧在空氣中的濃度超過設(shè)定值時(shí),可以觸發(fā)報(bào)警,并對(duì)外發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。此時(shí)傳感器是將什么量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的?火災(zāi)探測器

提示

傳感器是將煙霧產(chǎn)生的光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電路的電學(xué)量,使電路接通,從而對(duì)外發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。教材拓展閱讀教材第92頁思考與討論,思考為解決樓道里的照明問題,在樓道內(nèi)安裝一個(gè)傳感器與控制電燈的電路連接。當(dāng)樓道內(nèi)有人走動(dòng)而發(fā)出聲響時(shí),電燈即與電源接通而發(fā)光,這種傳感器是什么傳感器,它的輸入、輸出信號(hào)各是什么?提示

聲電傳感器,輸入的是聲信號(hào),輸出的是電信號(hào)。

易錯(cuò)辨析(1)金屬熱電阻隨溫度的升高導(dǎo)電能力增強(qiáng),它的化學(xué)穩(wěn)定性好,測量范圍大。(

)(2)霍爾電壓與組成霍爾元件的材料無關(guān)。(

)(3)霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。(

)(4)光敏電阻的阻值隨光照的強(qiáng)弱而變化,光照越強(qiáng)電阻越大。(

)××√×重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點(diǎn)一對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)導(dǎo)學(xué)探究干簧管結(jié)構(gòu):玻璃管內(nèi)封入的兩個(gè)軟磁性材料制成的簧片,如圖甲所示。將干簧管接入圖乙電路,當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí),會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象,為什么?干簧管的作用是什么?提示

燈泡會(huì)亮,因?yàn)楫?dāng)磁體靠近干簧管時(shí),兩個(gè)簧片被磁化而接通;干簧管起到開關(guān)的作用,是一種能夠感知磁場的傳感器。知識(shí)歸納1.傳感器的核心元件(1)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,相當(dāng)于人的感覺器官,是傳感器的核心部分,是利用材料的某種敏感效應(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。(2)轉(zhuǎn)換元件:是傳感器中能將敏感元件輸出的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的電子元件。(3)轉(zhuǎn)換電路:將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)量,如電壓、電流、電阻等。2.傳感器的工作原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量,如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等,而它輸出的通常是電學(xué)量,如電壓、電流、電荷量等。這些輸出信號(hào)是非常微弱的,通常要經(jīng)過放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作。傳感器的工作原理如下所示:典例剖析【例題1】

全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài)(速度、水箱溫度、油量)是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一,為模仿汽車油表原理,某同學(xué)自制一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置。如圖乙所示,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,R'是定值電阻,R'?R。該同學(xué)在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒有畫出),通過觀察電壓表示數(shù),可以了解油量情況,你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的

兩點(diǎn)之間,請(qǐng)按照你的接法回答:當(dāng)油箱中油量減少時(shí),電壓表的示數(shù)將

(選填“增大”或“減小”)。

b、c增大

解析

由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí),R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng),從而引起R兩端電壓的變化,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兩點(diǎn)之間;當(dāng)油量減少時(shí),R的金屬滑片上移,接入電路的電阻增大,電壓表示數(shù)將增大。方法技巧

傳感器問題的三點(diǎn)注意(1)不同傳感器的原理不同,但都是通過敏感元件把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的變化。(2)傳感器輸出的電學(xué)量可能為電流、電壓、電路通斷等,不一定是電壓。(3)敏感元件只是傳感器的一個(gè)關(guān)鍵部分,并不一定就是一個(gè)完整的傳感器。對(duì)點(diǎn)演練1.(2025浙江湖州高二期末)下列關(guān)于傳感器的說法正確的是(

)A.光敏電阻可以把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量B.霍爾元件可以把電壓這個(gè)電學(xué)量轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量C.電阻應(yīng)變片可以把電阻這個(gè)電學(xué)量轉(zhuǎn)換為物體形變這個(gè)力學(xué)量D.熱敏電阻可以把電阻這個(gè)電學(xué)量轉(zhuǎn)換為溫度這個(gè)熱學(xué)量A解析

光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,故A正確;霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量,故B錯(cuò)誤;電阻應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這個(gè)電學(xué)量,故C錯(cuò)誤;熱敏電阻能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量,故D錯(cuò)誤。探究點(diǎn)二常見傳感器的工作原理及應(yīng)用導(dǎo)學(xué)探究在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計(jì)數(shù)器后,就可以準(zhǔn)確地得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量,光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器示意圖如圖所示,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻。此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是什么?提示

當(dāng)光被產(chǎn)品擋住時(shí),R1電阻增大,電路中電流減小,R2兩端電壓減小,信號(hào)處理系統(tǒng)得到低電壓。每通過一個(gè)產(chǎn)品就獲得一次低電壓,以此計(jì)數(shù)。知識(shí)歸納1.電阻式傳感器性能比較

比較項(xiàng)熱敏電阻金屬熱電阻光敏電阻電阻應(yīng)變片特點(diǎn)正溫度系數(shù)的熱敏電阻,隨溫度升高阻值變大;負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,隨溫度升高阻值減小電阻率隨溫度的升高而增大在強(qiáng)光下電阻小,在弱光下電阻大受到拉力時(shí),電阻變大;受到壓力時(shí),電阻變小比較項(xiàng)熱敏電阻金屬熱電阻光敏電阻電阻應(yīng)變片敏感材料半導(dǎo)體金屬把硫化鎘涂敷在絕緣板上,其表面鍍銀金屬材料優(yōu)點(diǎn)靈敏度好測溫范圍大靈敏度好靈敏度好原理溫度影響電阻率無光照時(shí),載流子極少,導(dǎo)電性能差;隨著光照的增強(qiáng),載流子增多,導(dǎo)電性變好R=應(yīng)用空調(diào)機(jī)電飯煲照相機(jī)電子秤2.常見電容式傳感器

名稱示意圖原理測定角度θ的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時(shí),引起極板正對(duì)面積S的變化,使電容C發(fā)生變化,知道電容C的變化情況,就可以知道角度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(gè)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(shí),引起正對(duì)面積S發(fā)生變化,使電容C發(fā)生變化,知道電容C的變化情況,就可以知道液面高度h的變化情況名稱示意圖原理測定壓力F的電容式傳感器待測壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)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,知道電容C的變化情況,就可以知道待測壓力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(jìn)入極板間的長度發(fā)生變化,電容C發(fā)生變化,知道電容C的變化情況,就可以知道位移x的變化情況典例剖析D【例題2】

利用某半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而減小的特性可以制作電子溫度計(jì)。圖甲表示該半導(dǎo)體的電阻R隨溫度t變化的情況①。把該半導(dǎo)體與電動(dòng)勢為E、內(nèi)阻為r的電源,理想電壓表和保護(hù)電阻R0連成如圖乙所示的電路②。用該半導(dǎo)體作測溫探頭,把電壓表的電壓刻度改為相應(yīng)的溫度刻度,就得到了一個(gè)簡易的電子溫度計(jì)。下列說法正確的是(

)A.溫度降低,流過半導(dǎo)體的電流增大B.該電子溫度計(jì)表盤上溫度刻度是均勻的C.和tA相比,tB應(yīng)標(biāo)在電壓較大的刻度上D.若電池用久后內(nèi)阻r變大,用該溫度計(jì)測量的溫度要比真實(shí)值偏高解析

溫度降低,由圖乙可知半導(dǎo)體的阻值增大,電路中總電阻增大,則總電流變小,故流過半導(dǎo)體的電流減小,故A錯(cuò)誤。由圖乙可知半導(dǎo)體的電阻R=r0-kt,半導(dǎo)體兩端的電壓U=,則該電子溫度計(jì)表盤上溫度的刻度是不均勻的;溫度越高,U越小,即tA應(yīng)標(biāo)在電壓較大的刻度上,tB應(yīng)標(biāo)在電壓較小的刻度上,故B、C錯(cuò)誤。若電池用久后內(nèi)阻r變大,根據(jù)U=,可知相同的R值時(shí)U值偏小,則用該溫度計(jì)測量的溫度要比真實(shí)值偏高,故D正確。教你析題

讀取題干獲取信息①半導(dǎo)體的電阻R隨溫度的升高而減小,半導(dǎo)體的電阻R與溫度的關(guān)系式R=r0-kt②半導(dǎo)體和電阻R0串聯(lián),電壓表測半導(dǎo)體兩端的電壓教你破題

獲取題干

關(guān)鍵信息電路中的電流:由閉合電路歐姆定律求解半導(dǎo)體兩端的電壓:由歐姆定律求解溫度計(jì)的改裝:根據(jù)電壓與溫度的關(guān)系,將電壓刻度改成溫度刻度對(duì)點(diǎn)演練C

A

學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)1231.(對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí))非觸摸式自動(dòng)感應(yīng)水龍頭如圖所示,其應(yīng)用的傳感器是(

)A.壓力傳感器B.光電傳感器C.生物傳感器D.溫度傳感器B解析

自動(dòng)感應(yīng)水龍頭應(yīng)用的是光電傳感器。

1232.(對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí))(多選)關(guān)于傳感器的作用,下列說法正確的有(

)A.傳感器通常可以直接用來進(jìn)行自動(dòng)控制B.傳感器可以用來采集信息C.傳感器可以將感受到的一些信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)量D.傳感器可以將所有感受到的信號(hào)都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量BC解析

傳感器是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信號(hào)的,不能直接用來進(jìn)行自動(dòng)控制,A錯(cuò)誤;傳感器可以用來采集信息,B正確;傳感器分不同種類,每種傳感器只感受到特定的信號(hào)并把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電學(xué)量,C正確,D錯(cuò)誤。123D3.(常見傳感器的工作原理及應(yīng)用)(2025江蘇鹽城高二月考)一些材料的電阻隨溫度的變化而變化。圖甲是由某金屬材料制成的電阻R