資源簡介

第五章　傳感器
1　認識傳感器
2　常見傳感器的工作原理及應用
[學習目標]　
1.知道什么是傳感器，了解傳感器的種類(重點)。
2.知道傳感器的組成與應用模式。
3.知道光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻應變片、電容式傳感器的工作原理及應用(難點)。
一、傳感器及其工作原理
干簧管結構：如圖甲所示，玻璃管內封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當條形磁體靠近干簧管時：
(1)會發生什么現象，為什么？
(2)干簧管的作用是什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
1．傳感器
(1)定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規律轉換為便于傳送和處理的____________(通常是________、電流等電學量)輸出，或轉換為電路的________的器件或裝置。
(2)功能：把____________量轉化為______量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和________。
2．傳感器的種類、組成與應用模式
(1)分類：按傳感器的工作原理的不同，把傳感器分為________傳感器、________傳感器和________傳感器。
(2)組成：傳感器主要由________________、轉換元件組成。
①敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。
②轉換元件：將敏感元件輸出的信號直接轉換成電信號的部分。
(3)傳感器應用的一般模式：
例1　關于傳感器，下列說法正確的是(　　)
A．所有傳感器都是由半導體材料制成的
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．水銀溫度計是一種傳感器
例2　在多種檢測三聚氰胺的方法中有一種“酶標法”檢測，這種檢測方法使用的傳感器，應為傳感器中的哪一類(　　)
A．物理傳感器
B．化學傳感器
C．生物傳感器
D．溫度傳感器
二、光敏電阻
1．特點：在被光照射時________發生變化，阻值隨光照強度的增強而明顯________。
2．阻值發生變化的原因：光敏電阻的構成物質為半導體材料，無光照時，載流子________，導電性能________；隨著光照的增強，載流子________，導電性________。
3．作用：把________________這個光學量轉換為________這個電學量。
4．應用實例：在工廠生產車間的生產線上安裝計數器后，就可以準確得知生產產品的數量，如圖所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。當光被產品擋住時，R1電阻________(填“增大”“減小”或“不變”)，電路中電流減小，R2兩端電壓________(填“增大”“減小”或“不變”)，信號處理系統得到________(填“高”或“低”)電壓，每通過一個產品就獲得一次______(填“高”或“低”)電壓，并計數一次。
例3　(2022·江蘇省上岡高級中學期中)如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數比為10∶1，電壓表和電流表均為理想交流電表，R是一個光敏電阻，其阻值隨光照強度的增大而減小。從某時刻開始在原線圈兩端加上交變電壓，其瞬時值表達式為u1＝220sin 100πt(V)，則(　　)
A．在天逐漸變黑的過程中，電壓表V的示數變小
B．在天逐漸變黑的過程中，電流表A2的示數變小
C．在天逐漸變黑的過程中，電流表A1的示數變大
D．在天逐漸變黑的過程中，電壓表V的示數變大
三、金屬熱電阻和熱敏電阻
1．金屬熱電阻：金屬導體的電阻隨溫度的升高而________，如圖中圖線①所示。
2．熱敏電阻
(1)熱敏電阻指用半導體材料制成，電阻值隨溫度變化發生明顯變化的電阻。如圖中圖線②所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。
(2)熱敏電阻分正溫度系數熱敏電阻和負溫度系數熱敏電阻兩類，電阻值隨溫度升高而增大的是正溫度系數熱敏電阻；電阻值隨溫度升高而________的是負溫度系數熱敏電阻。常用的是負溫度系數熱敏電阻。
3．作用：金屬熱電阻和熱敏電阻把________這個熱學量轉換成________這個電學量。
將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數的熱敏電阻RT(溫度升高時電阻減小)的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉？若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，多用電表指針將如何偏轉？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
例4　電阻R隨溫度T變化的圖像如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A．圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用半導體材料制成的
B．圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的
C．圖線1對應的材料化學穩定性好、測溫范圍大、靈敏度高
D．圖線2對應的材料化學穩定性差、測溫范圍小、靈敏度高
例5　(2022·連云港市高二校聯考階段練習)如圖所示是一火災報警器的電路示意圖，其中R2為用半導體熱敏材料制成的傳感器，這種半導體熱敏材料的電阻率隨溫度的升高而減小。電流表為值班室的顯示器，電源兩極之間接一報警器，當傳感器R2所在處出現火情時，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變大，U變小
C．I變小，U變大
D．I變小，U變小
四、電阻應變片
1．電阻應變效應：金屬導體在外力作用下發生機械形變(伸長或縮短)時，其電阻也隨之變化的現象。
2．電阻應變片：電阻應變片有金屬電阻應變片和________________，后者的工作原理是基于半導體材料的________________。
3．電阻應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為________這個電學量。
4.應用實例：如圖所示是一個應變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各貼一個應變片。在梁的自由端施加力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變________(填“大”或“小”)，下表面應變片的電阻變________(填“大”或“小”)。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變________(填“大”或“小”)，下表面應變片兩端的電壓變______(填“大”或“小”)。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越________(填“大”或“小”)。
例6　壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設計了利用壓敏電阻判斷豎直升降機運動狀態的裝置，其工作原理圖如圖甲所示，將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動的過程中，電流表示數如圖乙所示，已知升降機靜止時電流表的示數為I1。下列判斷正確的是(　　)
A．0到t1時間內，升降機一定靜止
B．t1到t2時間內，升降機可能做勻加速直線運動
C．t1到t2時間內，升降機運動時的加速度在變化
D．t2到t3時間內，升降機可能向下勻速運動
五、電容式傳感器
電容式傳感器：電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距d以及極板間的電介質這三個因素。如果某個物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，那么這種電容器就被稱為電容式傳感器。
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片，他們構成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關系來工作，試分析它的工作原理。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
例7　如圖所示為某汽車的加速度傳感器的俯視圖。金屬塊左、右側分別連接電介質、輕質彈簧，彈簧與電容器固定在外框上，金屬塊可帶動電介質相對于外框左右移動(不能上下移動)，電容器與電源連接，并串聯計算機的信號采集器。關于該傳感器的說法正確的是(　　)
A．汽車保持靜止時，電容器不帶電
B．汽車靜止時與做直線運動時，電容器的電容可能相同
C．汽車由靜止突然向右加速，電路中有逆時針方向的電流
D．汽車向右做勻加速運動過程中，電路中始終有順時針方向的電流
1　認識傳感器
2　常見傳感器的工作原理及應用
[學習目標]　1.知道什么是傳感器，了解傳感器的種類(重點)。2.知道傳感器的組成與應用模式。3.知道光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻應變片、電容式傳感器的工作原理及應用(難點)。
一、傳感器及其工作原理
干簧管結構：如圖甲所示，玻璃管內封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當條形磁體靠近干簧管時：
(1)會發生什么現象，為什么？
(2)干簧管的作用是什么？
答案　(1)燈泡會亮，因為當條形磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到開關的作用，是一種能夠感知磁場的傳感器。
1．傳感器
(1)定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等被測量，并能把它們按照一定的規律轉換為便于傳送和處理的可用信號(通常是電壓、電流等電學量)輸出，或轉換為電路的通斷的器件或裝置。
(2)功能：把非電學量轉化為電學量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和控制。
2．傳感器的種類、組成與應用模式
(1)分類：按傳感器的工作原理的不同，把傳感器分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。
(2)組成：傳感器主要由敏感元件、轉換元件組成。
①敏感元件：能直接感受或響應外界被測非電學量的部分。相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。
②轉換元件：將敏感元件輸出的信號直接轉換成電信號的部分。
(3)傳感器應用的一般模式：
例1　關于傳感器，下列說法正確的是(　　)
A．所有傳感器都是由半導體材料制成的
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．水銀溫度計是一種傳感器
答案　B
解析　傳感器材料分為半導體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料等，A錯誤，B正確；傳感器是通過把非電學量轉換成電學量來傳遞信號的，C錯誤；水銀溫度計根據液體的熱脹冷縮來測量溫度，不是傳感器，D錯誤。
例2　在多種檢測三聚氰胺的方法中有一種“酶標法”檢測，這種檢測方法使用的傳感器，應為傳感器中的哪一類(　　)
A．物理傳感器
B．化學傳感器
C．生物傳感器
D．溫度傳感器
答案　C
解析　酶標法的原理是利用了生物酶，故應為生物傳感器，C正確。
二、光敏電阻
1．特點：在被光照射時電阻發生變化，阻值隨光照強度的增強而明顯減小。
2．阻值發生變化的原因：光敏電阻的構成物質為半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。
3．作用：把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。
4．應用實例：在工廠生產車間的生產線上安裝計數器后，就可以準確得知生產產品的數量，如圖所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。當光被產品擋住時，R1電阻增大(填“增大”“減小”或“不變”)，電路中電流減小，R2兩端電壓減小(填“增大”“減小”或“不變”)，信號處理系統得到低(填“高”或“低”)電壓，每通過一個產品就獲得一次低(填“高”或“低”)電壓，并計數一次。
例3　(2022·江蘇省上岡高級中學期中)如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數比為10∶1，電壓表和電流表均為理想交流電表，R是一個光敏電阻，其阻值隨光照強度的增大而減小。從某時刻開始在原線圈兩端加上交變電壓，其瞬時值表達式為u1＝220sin 100πt(V)，則(　　)
A．在天逐漸變黑的過程中，電壓表V的示數變小
B．在天逐漸變黑的過程中，電流表A2的示數變小
C．在天逐漸變黑的過程中，電流表A1的示數變大
D．在天逐漸變黑的過程中，電壓表V的示數變大
答案　B
解析　由＝知，U2不變，電壓表示數不變，故A、D錯誤；天逐漸變黑的過程中， 光照強度減小，光敏電阻的阻值增大，根據I2＝，可知電流表A2示數減小，根據＝，匝數比不變，故A1的示數減小，故B正確，C錯誤。
三、金屬熱電阻和熱敏電阻
1．金屬熱電阻：金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大，如圖中圖線①所示。
2．熱敏電阻
(1)熱敏電阻指用半導體材料制成，電阻值隨溫度變化發生明顯變化的電阻。如圖中圖線②所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。
(2)熱敏電阻分正溫度系數熱敏電阻和負溫度系數熱敏電阻兩類，電阻值隨溫度升高而增大的是正溫度系數熱敏電阻；電阻值隨溫度升高而減小的是負溫度系數熱敏電阻。常用的是負溫度系數熱敏電阻。
3．作用：金屬熱電阻和熱敏電阻把溫度這個熱學量轉換成電阻這個電學量。
將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數的熱敏電阻RT(溫度升高時電阻減小)的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉？若用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，多用電表指針將如何偏轉？
答案　由于酒精揮發，熱敏電阻RT溫度降低，電阻值增大，多用電表指針將向左偏；用吹風機將熱風吹向熱敏電阻，熱敏電阻RT溫度升高，電阻值減小，多用電表指針將向右偏。
例4　電阻R隨溫度T變化的圖像如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A．圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用半導體材料制成的
B．圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的
C．圖線1對應的材料化學穩定性好、測溫范圍大、靈敏度高
D．圖線2對應的材料化學穩定性差、測溫范圍小、靈敏度高
答案　D
解析　金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，半導體材料制成的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，所以A、B錯誤；圖線1對應的材料化學穩定性好，但靈敏度差，圖線2對應的材料化學穩定性差，但靈敏度高，所以C錯誤，D正確。
例5　(2022·連云港市高二校聯考階段練習)如圖所示是一火災報警器的電路示意圖，其中R2為用半導體熱敏材料制成的傳感器，這種半導體熱敏材料的電阻率隨溫度的升高而減小。電流表為值班室的顯示器，電源兩極之間接一報警器，當傳感器R2所在處出現火情時，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變大，U變小
C．I變小，U變大 D．I變小，U變小
答案　D
解析　當傳感器R2所在處出現火情時，R2阻值變小，R2與R3的并聯總電阻減小，外電路的總電阻R減小，由閉合電路歐姆定律可知電路的總電流增大，電源的內電壓變大，由U＝E－I總r，可知路端電壓減小，即報警器兩端電壓U減小，電路中并聯部分的電壓U并＝E－I總(R1＋r)，由于I總變大，則可知U并變小，則根據部分電路的歐姆定律可知通過顯示器的電流I變小。故選D。
四、電阻應變片
1．電阻應變效應：金屬導體在外力作用下發生機械形變(伸長或縮短)時，其電阻也隨之變化的現象。
2．電阻應變片：電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體電阻應變片，后者的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。
3．電阻應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為電阻這個電學量。
4.應用實例：如圖所示是一個應變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各貼一個應變片。在梁的自由端施加力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變大(填“大”或“小”)，下表面應變片的電阻變小(填“大”或“小”)。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變大(填“大”或“小”)，下表面應變片兩端的電壓變小(填“大”或“小”)。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越大(填“大”或“小”)。
例6　壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學設計了利用壓敏電阻判斷豎直升降機運動狀態的裝置，其工作原理圖如圖甲所示，將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動的過程中，電流表示數如圖乙所示，已知升降機靜止時電流表的示數為I1。下列判斷正確的是(　　)
A．0到t1時間內，升降機一定靜止
B．t1到t2時間內，升降機可能做勻加速直線運動
C．t1到t2時間內，升降機運動時的加速度在變化
D．t2到t3時間內，升降機可能向下勻速運動
答案　C
解析　從0～t1時間內，電流不變，根據閉合電路的歐姆定律可知電路中的總阻值不變，升降機可能靜止也可能勻速運動，故A錯誤；t1～t2時間內，電流增大，則電阻減小，因為壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，所以壓力增大，由牛頓第三定律得物塊受到的支持力逐漸增大，根據牛頓第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上且逐漸增大，故B錯誤，C正確；t2～t3時間內電流不變，電阻不變，壓力不變，電流大于靜止時的電流，壓力大于靜止時的壓力，物塊受重力和支持力，根據牛頓第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上且大小不變，所以t2～t3時間內升降機勻加速上升或勻減速下降，故D錯誤。
五、電容式傳感器
電容式傳感器：電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距d以及極板間的電介質這三個因素。如果某個物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，那么這種電容器就被稱為電容式傳感器。
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片，他們構成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關系來工作，試分析它的工作原理。
答案　電容式話筒利用振動膜片接收空氣振動信號，振動膜片與固定電極之間形成一個電容，兩者之間的距離變化會導致其電容的變化。在電容器兩端施加恒定的電壓，通過電容器的電流就會變化。將這個電流信號進行轉換，即可輸出音頻信號。
例7　如圖所示為某汽車的加速度傳感器的俯視圖。金屬塊左、右側分別連接電介質、輕質彈簧，彈簧與電容器固定在外框上，金屬塊可帶動電介質相對于外框左右移動(不能上下移動)，電容器與電源連接，并串聯計算機的信號采集器。關于該傳感器的說法正確的是(　　)
A．汽車保持靜止時，電容器不帶電
B．汽車靜止時與做直線運動時，電容器的電容可能相同
C．汽車由靜止突然向右加速，電路中有逆時針方向的電流
D．汽車向右做勻加速運動過程中，電路中始終有順時針方向的電流
答案　B
解析　汽車保持靜止時，Q＝CU，電容器帶電，故A錯誤；汽車靜止時與做勻速直線運動時，彈簧長度相同，電容器的電容相同，故B正確；當汽車向右加速運動時，電容器電介質相對于電容器向左運動，由C＝可知電容變大，因兩極板間的電壓不變，則電容器所帶的電荷量增加，電路中有順時針方向的電流，故C錯誤；汽車向右做勻加速運動過程中，加速度不變，彈簧伸長量不變，電容器充電完成后，不再有電流，故D錯誤。

展開更多......

收起↑