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第5章 傳感器
小盒子A的側面露出一個小燈泡，盒外沒有開關。如果把磁體 B放到盒子上面，燈泡就會發光，把磁體移走，燈泡熄滅。盒子里有什么樣的裝置，才能出現這樣的現象？
新課導入
5.1 認識傳感器+5.2 常見傳感器的工作原理及應用
學習任務一
學習任務一　認識傳感器
它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、磁場、化學成分等非電學量，并把它們按照一定的規律轉化成電壓、電流等電學量，或轉化為電路的通斷。從而實現很方便地測量、傳輸、處理和控制。
傳感器是指這樣一類元件或裝置：
力
溫度
光
聲
化學成分
非電學量
電學量
電壓
電流
電路的通斷
傳感器
[物理觀念]
學習任務一
學習任務一　認識傳感器
人的感覺器官和傳感器的類比
[物理觀念]
光傳感器
聲音傳感器
味傳感器
溫度傳感器
壓力傳感器
濕度傳感器
氣體傳感器
視覺
嗅覺
味覺
觸覺、溫覺
聽覺
學習任務二
離子傳感器、氣體傳感器等
2.化學傳感器：
利用電化學氣體傳感器制成的可燃氣體報警器
利用離子傳感器制成的負氧離子傳感器
學習任務一　認識傳感器
學習任務二
：酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器等
3.生物傳感器
利用葡萄糖生物傳感器制成的血糖儀
利用生物傳感器制成的心率儀
學習任務一　認識傳感器
[科學探究]如圖所示,小盒子A的側面露出一個小燈泡,盒外沒有開關,但是把磁鐵B放到盒子上面,燈泡就會發光,把磁鐵移走,燈泡就會熄滅.盒子里有什么樣的裝置,才能出現這樣的現象
學習任務一
學習任務一　認識傳感器
[答案] 盒子里用到了干簧管,把干簧管串入電路,當磁鐵靠近時兩個軟磁性材料制成的簧片被磁化而接通,所以干簧管能起到開關的作用.
[科學探究]
學習任務一
學習任務一　認識傳感器
“干簧管”——是一種能夠感知磁場的傳感器
[科學探究]
學習任務一
學習任務一　認識傳感器
“干簧管”——是一種能夠感知磁場的傳感器
原理：當磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化，相互吸引而接通，干簧管能起到開關的作用。
例1 [2023·玉環中學月考] 下列關于傳感器說法中不正確的是(　)
A.電子秤所使用的測力裝置是力傳感器,它將壓力大小轉化為可變電阻,進而轉化為電壓信號
B.話筒是一種常用的聲傳感器,其作用是將電信號轉換為聲信號
C.電熨斗能自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片,這種雙金屬片的作用是控制電路的通斷
D.光敏電阻能夠把光照強度這個光學量轉換為電阻這個電學量
學習任務一
B
[解析] 電子秤所使用的測力裝置是力傳感器,它是把力信號轉化為電壓信號,故A正確;
話筒是一種常用的聲波傳感器,其作用是將聲信號轉換為電信號,故B錯誤;
電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器,這種傳感器的作用是控制電路的通斷,故C正確;
光敏電阻的工作原理實際上是通過傳感器把光信號轉換成電信號,故D正確.
學習任務一
1.傳感器能夠將感受到的物理量(力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電學量).
2.傳感器工作過程如圖所示.
學習任務一
3.傳感器的分類
學習任務一
工作原理 舉例
物理傳感器 利用物質的物理性質和物理效應感知并檢測出待測對象信息 力電傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、聲傳感器、電容傳感器等
化學傳感器 利用化學反應識別和檢測信息 氣敏傳感器、濕敏傳感器等
生物傳感器 利用生物化學反應識別和檢測信號 酶傳感器、細胞傳感器等
考向一　光敏電阻
學習任務二
學習任務二　常見傳感器的工作原理及其應用
把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個互不相連的柵狀電極。
硫化鎘
光強——電阻率小
光弱——電阻率大
光敏電阻
考向一　光敏電阻
學習任務二
學習任務二　常見傳感器的工作原理及其應用
【實驗原理】光敏電阻的阻值會隨著光照強度的增加而不斷減小，用歐姆表連接電阻，用不同強度的光照射電阻，通過觀察歐姆表的示數變化，來研究光敏電阻與光強的關系。
【實驗器材】光敏電阻、多用電表、導線、電源。
考向一　光敏電阻
學習任務二
學習任務二　常見傳感器的工作原理及其應用
考向一　光敏電阻
學習任務二
學習任務二　常見傳感器的工作原理及其應用
（1）光敏電阻在暗環境下電阻值很大，隨著光強的增加阻值不斷減小，強光照射下電阻值很小;
【實驗結論】
（2）光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。
考向一　光敏電阻
學習任務二
學習任務二　常見傳感器的工作原理及其應用
光敏電阻工作原理：
光照增強 半導體材料中的載流子（自由電子和空穴）濃度增加 材料的電阻率減小
光學量（光照強度）
→
電學量（電阻）
作用：把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。
考向一　光敏電阻
例2 [2023·溫嶺中學月考] 某學校新裝了一批節能路燈如圖甲所示,該路燈通過光控開關實現自動控制:電燈的亮度可自動隨周圍環境的亮度改變而改變.如圖乙為其內部電路簡化原理圖,電源電動勢為E,內阻為r,R1為光敏電阻(光照強度增加時,其電阻值減小).當隨著傍晚到來光照逐漸減弱時,下列判斷正確的是(　)
A.A燈變亮,B燈變暗
B.電源的效率變大
C.電源內阻消耗的功率變大
D.R1上電流的變化量等于R0上電流變化量
學習任務二
B
學習任務二　常見傳感器的工作原理及其應用
[解析] 光照逐漸減弱時,光敏電阻阻值增大,電路總電阻增大,總電流減小,內電壓減小,外電壓增大,A燈變亮,流過R0的電流減小,R0兩端電壓減小,又因為外電壓增大,所以B燈兩端電壓增大,則B燈變亮,故A錯誤;
由于外電阻變大,根據η===1-可知,電源的效率變大,故B正確;
因為內電壓減小,所以電源內阻消耗的功率變小,故C錯誤;
由題中電路可知ΔI0=ΔIB+ΔI1,其中ΔI0<0,ΔIB>0,則|ΔI0|<|ΔI1|,故D錯誤.
學習任務二
1.光敏電阻的材料是一種半導體,無光照時,載流子極少,導電性能不好;隨著光照強度的增大,載流子增多,導電性變好,即光敏電阻的阻值隨光照強度的增大而減小.
2.光敏電阻能夠把光照強度這個光學量轉換為電阻這個電學量.
3.光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管,是依據光敏電阻的阻值隨光照強度的變化而變化的原理制成的.光電傳感器有非常廣泛的應用,如自動沖水機、路燈的控制、光電計數器、煙霧報警器等.
學習任務一
考向二　金屬熱電阻和熱敏電阻
學習任務二
規律： 電阻隨溫度的升高而增大。
優缺點：熱敏電阻靈敏度高，但化學穩定性較差，測量范圍較??；金屬熱電阻的化學穩定性較好，測量范圍較大，但靈敏度較差。
電阻—溫度特性曲線
R
T
o
常用的一種熱電阻是用鉑制作的，可用來做電阻溫度計。
考向二　金屬熱電阻和熱敏電阻
學習任務二
實驗現象
熱敏電阻放溫水后，電流表讀數明顯增大，
溫度升高，熱敏電阻的阻值顯 著減小。
實驗結論
考向二　金屬熱電阻和熱敏電阻
例3 [2023·學軍中學月考] 新冠肺炎疫情期間,額溫槍被大量應用于排查高溫患者.額溫槍的原理是通過傳感器接收紅外線得出感應溫度數據.某同學在實驗室中用如圖甲所示的電路驗證額溫槍測量溫度的準確性.已知電源電動勢E=1.5 V,內阻忽略不計,R0=15 Ω,熱敏電阻的阻值與溫度的關系如圖乙所示.
(1)熱敏電阻感應的溫度越高,電壓表示
數　　　　(選填“越大”或“越小”).
(2)閉合開關后,發現電壓表示數為0.45 V,
則熱敏電阻感應的溫度為　　　　℃
(保留1位小數).
學習任務二
越大
40.0
學習任務二
[解析] (1)由圖甲可知,熱敏電阻與R0串聯,電壓表測R0兩端電壓U0,當熱敏電阻感應的溫度升高時,由圖乙可知,熱敏電阻阻值變小,電路中電流I0變大,根據U0=I0R0可知,電壓表示數U0變大.
(2)當電壓表示數為U'=0.45 V時,根據串聯電路的特點可知,通過熱敏電阻的電流I=I'== A=0.03 A,熱敏電阻兩端電壓U=E-U'=1.5 V-0.45 V=1.05 V,則熱敏電阻的阻值R== Ω=35 Ω,對照圖乙可知,熱敏電阻感應的溫度大約為40.0 ℃.
1.熱敏電阻與金屬熱電阻的比較
學習任務一
熱敏電阻 金屬熱電阻
特點 電阻隨溫度的變化而變化且變化得非常明顯,電阻值隨溫度升高而減小 電阻率隨溫度的升高而增大
R-T圖像
制作材料 半導體 金屬導體
優點 靈敏度好 化學穩定性好,測溫范圍大
作用 能夠將溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量 2.熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的,它有非常廣泛的應用,如各種家用電器(空調、冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲等)的溫度控制、火警報警器、恒溫箱等.
學習任務一
考向三　電阻應變片
學習任務二
當單晶半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象，稱為壓阻效應。
原理：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。
常見的一種力傳感器：
應變式力傳感器
應變片
金屬梁
考向三　電阻應變片
學習任務二
金屬梁
應變片
應變片
F
在梁的自由端施力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，下表面應變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大。
考向三　電阻應變片
例4 如圖所示是智能稱重地磅,它使用方便快捷、計量精度高、反應速度靈敏、移動方便,這種地磅安裝了應變式力傳感器,下列關于應變式力傳感器的說法不正確的是(　)
A.應變片常用半導體材料制成
B.當應變片的表面拉伸時,其電阻變大;反之,變小
C.傳感器輸出的是應變片上的電壓
D.外力越大,輸出的電壓差值也越大
學習任務二
C
[解析] 半導體是常用的電阻應變片制作材料,A正確,不符合題意;
當應變片拉伸時,其電阻變大,B正確,不符合題意;
傳感器輸出的是上、下兩應變片上的電壓差值,并且隨著外力的增大,輸出的電壓差值越來越大,C錯誤,符合題意;D正確,不符合題意.
學習任務二
1.應變式力傳感器主要由金屬梁和電阻應變片組成.
2.工作原理:如圖所示,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,下表面應變片的電阻變小.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,下表面應變片兩端的電壓變小.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.
學習任務二
3.應變式力傳感器的工作流程
學習任務二
思考與討論
話筒是一種能夠將聲音信號轉換為電信號的傳感器。圖乙是電容式話筒的組成結構示意圖，話筒的振動膜片涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個全屬片（固定電極），它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的關系來工作。你能根據它的工作過程說說各組成元件的作用嗎
敏感元件
振動膜片
轉換元件
固定電極
轉換電路
電阻電源
考向四　電容式傳感器
學習任務二
如圖所示，當被測物體在左、右方向發生位移時，電介質板隨之在電容器兩極板之間移動。如果測出了電容的變化，就能知道物體位置的變化。用什么方法可以檢測電容的變化？
電容式位移傳感器能把物體的位移這個力學量轉換為電容這個電學量。
根據電容的定義式 ，可知，給電容器帶上一定的電荷，然后用靜電計來檢測兩極板間電勢差的變化，就可判斷電容的變化。
考向四　電容式傳感器
學習任務二
（1）改變S：測量角度θ 、液面高度h等
定片
動片
θ
電介質
金屬芯線
導電液體
角度、深度
位移、壓力
電容
傳感器
電容
（2）改變d：測量壓力F
待測壓力F
固定電極
可動電極
（3）改變ε：測量位移x
電容器極板
電介質板
被測物體
電容式位移傳感器
x
考向四　電容式傳感器
例5 傳感器是把非電學物理量(如位移、速度、壓力、角度等)轉換成電學物理量(如電壓、電流、電荷量等)的一種元件.如圖中的甲、乙、丙、丁是四種常見的電容式傳感器,下列說法正確的是(　)
A.圖甲中兩極間的電荷量不變,若電壓減小,可判斷出h變小
B.圖乙中兩極間的電荷量不變,若電壓增大,可判斷出θ變小
C.圖丙中兩極間的電壓不變,若有電流流向傳感器的負極,則x變小
D.圖丁中兩極間的電壓不變,若有電流流向傳感器的正極,則F變大
D
學習任務二
[解析] 圖甲中兩極間的電荷量不變,若電壓減小,則由電容的定義式C=分析可知,電容增大,由電容的決定式C=可知,兩極間正對面積增大,h變大,A錯誤;
圖乙中兩極間的電荷量不變,若電壓增大,則由電容的定義式C=,分析可知,電容減小,由電容的決定式C=可知,極板正對面積減小,θ變大,B錯誤;
學習任務二
圖丙中兩極間的電壓不變,若有電流流向傳感器的負極,說明電容器在放電,電荷量減小,由電容的定義式C=分析可知,電容減小,由電容的決定式C=可知,電介質向外移動,則x變大,C錯誤;
圖丁中兩極間的電壓不變,若有電流流向傳感器的正極,說明電容器在充電,電荷量增加,由電容的定義式C=分析可知,電容增大,由電容的決定式C=可知,兩電極間距離減小,則F變大,D正確.
學習任務二
1.電容式傳感器:電容器的電容取決于極板的正對面積S、極板間距d、極板間的電介質這幾個因素.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.
2.電容式傳感器是一種多功能傳感器,可把壓力、轉角、位移、壓強、聲音等非電學量轉換為電容這一電學量.分析原理時,關鍵要搞清楚是將哪個非電學量轉換為電容,然后結合電容的決定式來分析.
學習任務二
課 堂 小 結
傳感器
一
傳感器的組成與應用模式
傳感器的種類
物理傳感器
生物傳感器
化學傳感器
常見傳感器的工作原理及應用
光敏電阻
電阻應變片
金屬熱電阻和熱敏電阻
思維拓展
課后習題
1. 什么是傳感器？它的作用是什么？簡述 一下你對傳感器的認識和理解。
課后習題
2. 請列舉一個你認為很“神奇”的利用傳 感器工作的例子，簡單說明它的原理。
課后習題
3. 以下工作中，你認為要用什么傳感器？
（1）讓孵化器在一定溫度下孵化禽蛋；
（2）電梯超出負載時，發出報警提示；
（3）使汽車排放符合國家標準的尾氣。
課后習題
1. 按照你對以下幾種傳感器的理解，填寫下面的表格。
5.2常見傳感器的工作原理及應用
課后習題
2. 圖5.2-14是一種電感式微小位移傳感器 的原理圖。1是待測位移的物體，3是空心線圈， 軟鐵芯2插在線圈3中并且可以隨著物體1在線 圈中左右平移。這種傳感器可以把被測物體位 移的大小轉換為線圈自感系數的大小，請定性 說明它的工作原理，并嘗試設計與線圈3相連 的電路。
5.2常見傳感器的工作原理及應用
課后習題
3. 電飯鍋中應用了溫度傳感器，它的主要 元件是感溫鐵氧體，其特點是：常溫下感溫鐵氧體具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，但是溫度 上升到約103 ℃時，就失去了鐵磁性，不能被 磁體吸引了。這個溫度在物理學中稱為該材料 的“居里點”。電飯鍋的結構如圖5.2-15所示， 請結合溫度傳感器的特點回答以下問題：
（1）開始煮飯時為什么要壓下開關按鈕？ 手松開后這個按鈕是否會恢復到圖示狀態？為 什么？
（2）煮飯時水沸騰后鍋內還有一定水分 時，為什么鍋的溫度會保持100 ℃而不會持續 升高？
（3）飯熟后，水分被大米吸收，鍋底的溫 度會有什么變化？這時電飯鍋會自動地發生哪 些動作？
（4）如果用電飯鍋燒水，能否在水沸騰后 自動斷電？

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