高中物理新教材同步选择性必修第二册 第5章 1 认识传感器-2常见传感器的工作原理及应用

1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用 [学习目标] 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类.2.知道传感器的组成与应用模式.3.知 道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的工作原理及应用． 一、传感器及其工作原理 1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照 一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常是电压、电流等电学量，或转换为 电路的通断． 2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传 输、处理和控制． 3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成． 4．传感器应用的一般模式： 二、光敏电阻 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个 电学量． 三、金属热电阻和热敏电阻 1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝可以制作成温 度传感器，称为热电阻． 2．热敏电阻：用半导体材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小． 四、电阻应变片 1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象． 2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，半导体电阻应变片的 工作原理是基于半导体材料的压阻效应． 3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量． 判断下列说法的正误． (1)传感器可以把非电学量转化为电学量．( √ ) (2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大．( × ) (3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低．( × ) (4)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化．( √ ) 一、传感器 导学探究 干簧管结构：如图1 甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接 入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时： 图1 (1)会发生什么现象，为什么？ (2)干簧管的作用是什么？ 答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通． (2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器． 知识深化 1．传感器的核心元件 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如 热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)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． (3)转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电 流、电阻等． 2．传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的 通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后 再输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作原理如下所示： →→→→ 关于传感器，下列说法正确的是( ) A．所有传感器都是由半导体材料制成的 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．水银温度计是一种传感器 答案 B 解析 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A 错误，B 正确； 传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，C 错误；水银温度计根据热胀冷缩 来测量温度，不是传感器，D 错误． 许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮，到了晚上能够自动做到“人来即亮， 人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器，下列有关该传感器的说法正确的是 ( ) A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度 B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强 C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音 D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移 答案 C 解析 楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮与光传感器有关；晚上有人经过时，灯 自动亮起来，与声音有关，是声传感器，所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C 正确． 二、光敏电阻及其应用 导学探究 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量， 如图2 所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电 计数器的基本工作原理是什么？ 图2 答案 当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系 统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次． 知识深化 1．光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照时，载流子增多，导电性能明 显增强，光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小． 2．光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小．它能够把光照强弱这个光学量转换为电 阻这个电学量． (多选)如图3 所示，R1、R2为定值电阻，L 为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度 增大时( ) 图3 A．电压表的示数增大 B．R2中电流减小 C．小灯泡的功率增大 D．电路的路端电压增大 答案 ABC 解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而减小，由闭合电路 欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故 电路的路端电压减小，A 项正确，D 项错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2 两端电压必减小，则R2中电流减小，B 项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流 过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C 项正确． 三、金属热电阻和热敏电阻及其应用 导学探究 如图4 所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与 负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正 中央．若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻， 多用电表指针将如何偏转？ 图4 答案 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹 风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏． 知识深化 1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图5 图线①所示． 2．热敏电阻 (1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图5 线②所 示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线． 图5 (2)热敏电阻分正温度系数和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温 度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．常用的 是负温度系数热敏电阻． (多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的 控制．如图6 所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越小)，C 为 电容器．当环境温度降低时( ) 图6 A．电容器C 的带电荷量增大 B．电压表的读数增大 C．电容器C 两板间的电场强度减小 D．R1消耗的功率增大 答案 AB 解析 当环境温度降低时，R2的阻值变大，电路的总电阻变大，由I＝可知I 变小，又U＝E －Ir，则电压表的读数增大，B 正确；由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D 错误；电 容器C 两板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2 可知，Q、E′都增大，故A 正确，C 错误． 四、电阻应变片 导学探究 如图7 所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的 上下表面各贴一个应变片．结合力传感器的特点，叙述它的工作原理． 图7 答案 在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电 阻变大，下表面应变片的电阻变小．力F 越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大． 如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两 端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．力F 越大，输出的电压差值也就越大． 有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图8 中的虚线所示．它主要由三部分构成： 踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的 仪表 (其实质是电流表)．其中AO∶BO＝5∶1.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系 如下表所示： 压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 … 电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 … 图8 设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则： (1)利用表中数据归纳出电阻R 随压力F 变化的函数关系式； (2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？ (3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝10 N/kg) 答案 (1)R＝300－0.6F (2)15.6 mA (3)55 kg 解析 (1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F. (2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300 Ω，电路中的电流 为I1＝＝ A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA 处． (3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20 mA 时，压力传感器的电阻R2＝＝ Ω＝234 Ω， 由R＝300－0.6F，解得F2＝110 N. 再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N. 故人的体重为m＝＝55 kg. 1．(对传感器的理解)(2019·绵阳市高二期末)关于传感器工作的一般流程，下列说法正确的是( ) A．非电信息→敏感元件→处理电路→电信息 B．电信息→处理电路→敏感元件→非电信息 C．非电信息→敏感元件→电信息→处理电路 D．非电信息→处理电路→敏感元件→电信息 答案 A 2.(光敏电阻的应用)如图9 所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，当开关S 闭合后，在 没有光照射时，a、b 两点等电势．当用光照射电阻R3时，则(电源内阻不计)( ) 图9 A．a 点电势高于b 点电势 B．a 点电势低于b 点电势 C．a 点电势等于b 点电势 D．a 点电势和b 点电势的大小无法比较 答案 A 解析 当用光照射电阻R3时，R3电阻变小，R3两端电压减小，故a 点电势升高，因其他电 阻的阻值不变，所以a 点电势高于b 点电势，故A 正确． 3．(热敏电阻的特性)(2020·如东中学阶段性检测)某温控电路的原理如图10 所示，RM是负温 度系数的热敏电阻，R 是滑动变阻器，某种仪器要求在15～27 ℃的环境中工作．当环境温 度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备．下列说法正确的是( ) 图10 A．环境温度降低，RM的阻值减小 B．环境温度升高，Uab变大 C．滑片P 向下移动时，Uab变大 D．调节滑片P 的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度 答案 D 解析 环境温度降低时，RM的阻值变大，A 错误；环境温度升高，RM的阻值减小，则Uab 变小，B 错误；滑片P 向下移动时，接入电路中的电阻变大，回路电流减小，则Uab变小， C 错误；由C 可知，调节滑片P 的位置能改变临界温度，D 正确． 4．(电阻应变片、力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设 计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图11 甲所示，将压敏 电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙 所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1.下列判断正确的是( ) 图11 A．0 到t1时间内，升降机一定静止 B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动 答案 C 考点一 传感器及其工作原理 1．(多选)下列说法正确的是( ) A．传感器担负着信息采集的任务 B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器 C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件 D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分等被测量转换为电信号的主要工具 答案 ABD 解析 传感器的任务就是采集信息，选项A 正确；干簧管的主要构造是由平时不接触的两 个极易被磁化的软磁性材料组成的，它们靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，选项B 正 确；电视遥控接收器中使用了红外线传感器，选项C 错误；由传感器的定义知，选项D 正 确． 2．(多选)关于干簧管，下列说法正确的是 ( ) A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用 B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的 C．干簧管接入电路中相当于开关的作用 D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的 答案 CD 解析 干簧管能感知磁场，当两个簧片所处位置有磁场时，两个簧片被磁化而接通，所以可 作开关来使用，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开，故C、D 正确，A、B 错 误． 考点二 常见传感器及其应用 3.如图1 所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有 薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容 器的两极．在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化， 从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 ( ) 图1 A．距离变化 B．正对面积变化 C．电介质变化 D．电压变化 答案 A 解析 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号 转化为电信号，故A 正确． 4．街道旁的路灯利用半导体的电学特性制成了白天自动熄灭，夜晚自动点亮的装置，该装 置利用了半导体的( ) A．光敏性 B．压敏性 C．热敏性 D．三个特性同时应用 答案 A 解析 要求路灯夜晚亮，白天熄，可知光的强弱导致电路电流变化，所以电路中利用光传感 器使电阻变化，实现自动控制，即利用半导体的光敏性，A 正确，B、C、D 错误． 5．(多选)电容式传感器是将非电信号转换为电信号的装置．由于电容器的电容C 取决于极 板正对面积S、极板间距离d 以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就 能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图2 所示是四个电容式传感器的示意 图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是( ) 图2 A．甲图的传感器可以用来测量角度 B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度 C．丙图的传感器可以用来测量压力 D．丁图的传感器只能用来测量速度 答案 ABC 6．如图3 所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡， 用光照射光敏电阻时，表针的偏转角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏转角为θ′，则 可判断( ) 图3 A．θ′＝θ B．θ′＜θ C．θ′＞θ D．不能确定 答案 B 7．(多选)如图4 为电阻R 随温度T 变化的图线．下列说法中正确的是( ) 图4 A．图线1 是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的 B．图线2 是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的 C．图线1 对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D．图线2 对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高 答案 BD 解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大，负温度系数半导体材料制成的热敏电阻的阻值 随温度升高而减小，故A 错误，B 正确；图线1 对应的材料化学稳定性好、测温范围大，但 灵敏度低，图线2 对应的材料化学稳定性差、测温范围小，但灵敏度高，故C 错误，D 正确． 8.在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动 控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号 转换成电信号的元件．某学习小组的同学在用多用电表研究热敏电阻特性的实验时，安装好 如图5 所示装置．向杯内加入冷水，温度计的示数为20 ℃，多用电表选择适当的倍率，读 出热敏电阻的阻值R1，然后向杯内加入热水，温度计的示数为60 ℃，发现多用电表的指针 偏转角度较大，则下列说法正确的是( ) 图5 A．应选用电流挡，温度升高换用大量程测量 B．应选用电流挡，温度升高换用小量程测量 C．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡 D．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡 答案 D 解析 多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源，故不能选用电流挡，A、B 错误；当 温度升高时多用电表指针偏转角度较大，说明热敏电阻的阻值变小了，应该换用欧姆挡倍率 小的挡，C 错误，D 正确． 9．(2019·龙岩市漳平一中月考)如图6 是安装在潜水器上深度表的电路简图，显示器由电流 表(电阻不计)改装而成，压力传感器的电阻随压力的增大而减小，电源电动势不变，内阻为 r，定值电阻阻值为R0，在潜水器下潜过程中，电路中有关物理量的变化情况是( ) 图6 A．通过显示器的电流减小 B．R0两端的电压增大 C．传感器两端的电压增大 D．电路的总功率减小 答案 B 解析 在潜水器下潜过程中，压力传感器受到的压力越来越大，压力传感器的电阻随压力的 增大而减小，所以电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律I＝可知电路中的总电流增大， 即通过显示器的电流增大，故A 错误；R0两端的电压U＝IR0，电路中的电流增大，则U 增 大，故B 正确；传感器两端的电压U 传＝E－I(R0＋r)，由于I 增大，E、R0、r 都不变，则传 感器两端的电压减小，故C 错误；由P＝EI 可知，电路的总功率增大，故D 错误． 10．(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图7 甲所示 为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B 能接收到发光元件A 发出的光，每当 工件挡住A 发出的光时，光传感器输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关 系，如图乙所示．若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下述说法正确 的是( ) 图7 A．传送带运动的速度是0.1 m/s B．传送带运动的速度是0.2 m/s C．该传送带每小时输送3 600 个工件 D．该传送带每小时输送7 200 个工件 答案 BC 解析 由题图乙可知，每隔1 s 记录一个工件，因此传送带运动的速度是0.2 m/s，进而可知， 每小时该传送带输送3 600 个工件，故选项B、C 正确． 11．(2019·黄石市高二诊断)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小．有一位同学利用压敏 电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图8 甲所示．将压敏电阻和一块挡板固 定在水平光滑绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球．小车在水平面内向右做直线运动的过程 中，电流表示数如图乙所示，0～t1时间内小车向右做匀速直线运动，下列判断正确的是( ) 图8 A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动 B．从t1到t2时间内，小车做