2017_2018学年高中物理第5章传感器及其应用第12节揭开传感器的“面纱”常见传感器的工作原理教学案鲁科版选修3

一、什么是传感器

1．定义

能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置。

2．作用

传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转化任务，把非电学量转化为电学量。

二、种类繁多的传感器

1．传感器的分类(按工作原理)及特点

2．传感器的一般结构

→→→→

三、光电传感器和温度传感器

1．自主思考——判一判

(1)传感器能够将非电学量转化为电学量，其核心部件是敏感元件。(√)

(2)光电传感器、温度传感器属于物理传感器，气敏传感器、湿敏传感器属于化学传感器。(√)

(3)光敏电阻电学性质随光照增强电阻减小。(√)

(4)热敏电阻电学性质随温度升高，电阻一定减小。(×)

(5)干簧管继电器在电路中作用相当于一个开关。(√)

2．合作探究——议一议

(1)在家庭生活中，人们不必直接接触就可以控制一些机器，试举一些生活中的例子，看哪些生活用品是通过传感器来完成的。

提示：电视机及空调机的遥控器、电冰箱、自动干手机、自动水龙头、楼道内的声控灯等。

(2)在光电报警装置中，干簧管的工作原理是什么？它在电路中所起的作用是什么？

提示：如图所示，当干簧管处于磁场中时，两个软铁质簧片被磁化，相互吸引而接通电路，它在电路中起到开关的作用。

(3)热敏电阻的阻值一定随温度的升高而减小吗？

提示：热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，正温度系数的热敏电阻(PTC)，其阻值随温度的升高而增大；而负温度系数的热敏电阻(NTC)，其阻值随温度的升高而减小。若题目中无特别说明，一般是指负温度系数的热敏电阻。

　　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、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、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。

1．下列说法正确的是(　　)

A．凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器

B．湿敏传感器只能是物理传感器

C．物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出

D．物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应

解析：选D　各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数是将非电学量转化为电学量，故A错；湿敏传感器为化学传感器，故B错；传感器既可将信息转化为电压输出，也可转化为电流、电阻等输出，故C错；由物理传感器定义知D正确。

2．下列关于传感器的说法中正确的是(　　)

A．所有传感器都是由半导体材料做成的

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．以上说法都不正确

解析：选B　半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如用金属丝可制作温度传感器，故A错误，B正确。传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，故C错误。

1．光敏电阻

(1)特点：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化。光照增强时，电阻减小；光照减弱时，电阻增大。

(2)原因：制作光敏电阻的硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能较差；随着光照的增强，载流子增多，导电性能增强。

(3)作用：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。

(4)光电计数器

图5­1­1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。当光被工件挡住时，R1阻值增大，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，通过一个工件就获得一次低电压，计数一次。

图5­1­1

2．金属热电阻和热敏电阻

(1)金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

(2)热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而升高或降低。热敏电阻主要有两种：

①正温度系数热敏电阻(PTC)：指随温度的上升电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻，可专门用作恒定温度传感器(图5­1­2甲)。

图5­1­2

②负温度系数热敏电阻(NTC)：指随温度的上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻(图5­1­2乙)。

热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化，由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以在应用方面，它不仅可以作为测量元件(如测量温度、流量、液位等)，还可以作为控制元件(如热敏开关、限流器)和电路补偿元件。热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等多个领域，发展前景极其广阔。

1．(多选)如图5­1­3所示为电阻R随温度T变化的R­T图线，下列说法中正确的是(　　)

图5­1­3

A．图线1是金属热电阻的R­T图线，它是用金属材料制成的

B．图线2是热敏电阻的R­T图线，它是用半导体材料制成的

C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高

D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高

解析：选ABD　由题图可知，图线1是金属热电阻的R­T图线，图线2是热敏电阻的R­T图线，根据它们的材料和特点可知，选项A、B、D正确。

2．如图5­1­4所示是一自动控制电路示意图，R1为光敏电阻，当照射到R1处的光消失时，电流表A中的电流I及ab间的电压U的变化情况是(　　)

图5­1­4

A．I变大，U变大　　　 　B．I变小，U变小

C．I变小，U变大   D．I变大，U变小

解析：选A　光敏电阻无光照射时其阻值变大，闭合回路的干路电流I干变小，U＝E－I干r，所以U增大；由于I干变小，则UR3变小，而U增大，则U并增大；由I＝IR2＝可得，I增大，故A符合题意。

3．(多选)有定值电阻、热敏电阻及光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图5­1­5所示的电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件置于热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是(　　)

图5­1­5

A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻

B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻

C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻

D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻

解析：选AC　热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度的变化而变化；光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化，定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度变化而变化；由此可知A、C正确。B中置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变，这只元件可能是定值电阻也可能是光敏电阻。D中用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件可能是热敏电阻也可能是定值电阻。

1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是(　　)

A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件

B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量

C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量

D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量

解析：选C　传感器工作的一般流程为非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量，因此A、B、D错，C对。

2．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是(　　)

A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小

B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器

C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏

D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器

解析：选A　光敏电阻是用半导体材料制成的，能把光照强度转换为电阻这个电学量，且其阻值随光照增强而减小，故A正确，B错误；热敏电阻也是用半导体材料制成的，能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故C、D错误。

3．下列器件不是应用温度传感器的是(　　)

A．电熨斗　　　　　　　 　B．话筒

C．电饭煲   D．测温仪

解析：选B　电熨斗、测温仪、电饭煲均应用了温度传感器，话筒没有应用温度传感器。

4．为了节约能源、合理适时地使用路灯，要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的某种特性制成自动点亮熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的(　　)

A．压敏性   B．光敏性

C．热敏性   D．三种特性都利用了

解析：选B　由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天(光线强)与夜晚(光线暗)，所以选B，虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外，还与季节有关，因此不能选C。

5．(多选)下列说法中正确的是(　　)

A．干簧管是传感器

B．水银温度计是传感器

C．托盘天平是传感器

D．气敏电阻是传感器

解析：选AD　全面理解传感器的概念是解决本题的关键。干簧管能够感受磁场，且能将磁学量转换为电路的通断，因此是传感器，A正确。水银温度计能够感受热学量，但不能将热学量转换成电学量，因此不是传感器，B错误。托盘天平能够感受力学量，但不能将力学量转换成电学量，因此不是传感器，C错误。气敏电阻能够感受气体浓度这一化学量，且能将化学量转换成电学量，因此是传感器，D正确。

6．随着生活质量的提高，自动干手机已进入了家庭。洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，是因为(　　)

A．改变了湿度   B．改变了温度

C．改变了磁场   D．改变了电容

解析：选D　根据自动干手机工作的特征，即手靠近，电热器开始工作，手撤离，电热器停止工作，不难判断出传感器的种类。人是导体，可以和其他导体构成电容器，因此物理学上有人体电容之说。手靠近干手机相当于连接进一个电容器，故可以确认干手机内设置有电容式传感器，手靠近改变了电容。能否利用湿度和温度来驱使电热器工作，理论上可行，但作为干手机，这种传感器的设置是有很大缺陷的。干手机周围的环境(如湿度和温度)一年四季都在变化，与手是否靠近无关，假如湿度、温度发生变化干手机就马上工作，岂不成了“室内烘干机”。故D正确。

7．如图1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，表针的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ′，则可判断(　　)

图1

A．θ′＝θ

B．θ′>θ

C．θ′<θ

D．不能确定θ和θ′的关系

解析：选C　光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，指针偏转角度变小，故θ′<θ。

8．如图2所示的电路可将声音信号转化为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接。若声源S做简谐运动，则(　　)

图2

A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变

B．a振动过程中，a、b板间所带电荷量不变

C．a振动过程中，灵敏电流表中始终有方向不变的电流

D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大

解析：选D　由于平行板电容器两极板与电池两极相连接，因此两极板间的电压U保持不变，根据场强E＝，C＝可判断A错、D对。再由Q＝CU可知，B错。由于Q变化，电容器出现充电、放电现象，显然电流表中电流方向不断变化，C错。

9．如图3所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是(　　)

图3

A．严重污染时，LDR是高电阻

B．轻度污染时，LDR是高电阻

C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定

D．该仪器的使用不会因为白天和晚上受到影响

解析：选A　严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D错。

10.如图4是一火警报警装置的一部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比(　　)

图4

A．I变大，U变大   B．I变小，U变小

C．I变小，U变大   D．I变大，U变小

解析：选D　当R2的阻值随温度升高而减小时，电路的总电阻减小，总电流增大，电源两端的电压减小，R1两端的电压增大，R3两端的电压减小，R3的电流减小，R2的电流增大。故D正确。

11．按图5所示接好电路，合上S1、S2，发现小灯泡不亮，原因是_______________

_____________________________________________；用电吹风对热敏电阻吹一会儿热风，会发现小灯泡________，原因是__________________________________________；停止吹风，一小段时间内会发现__________________________________________________；把热敏电阻放入冷水中会发现小灯泡________。

图5

解析：根据热敏电阻的性质进行分析，由于热敏电阻在常温时阻值较大，左侧电路中电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁；当用电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小时，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁，使右侧电路接通，小灯泡亮了；停止吹风后，小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高，当把热敏电阻放入冷水后，热敏电阻温度降低很快，阻值变大，故小灯泡熄灭。

答案：见解析

12．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。如图6甲所示，电源的电动势E＝9 V，内阻不计，G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变。R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的关系如图乙所示。闭合S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA。当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是多少？

图6

解析：由图像知20 ℃时，R＝4 000 Ω

由闭合电路欧姆定律得I1＝

即：2×10－3＝得Rg＝500 Ω

当I2＝3.6 mA时I2＝得R′＝2 000 Ω

再由图像得t＝120 ℃。

答案：120 ℃