高中物理第一节 传感器及其工作原理导学案

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第二节 传感器的应用
[学习目标] 1.知道什么是传感器，知道传感器的组成.2.了解传感器的分类.3.知道温度传感器、光电传感器的原理及应用.4.了解传感器在生活、工业、农业及航空航天中的应用．
一、什么是传感器
1．传感器：能够感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置．
2．传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电流三部分组成．
传感器的组成框图：
eq \(――→,\s\up7(被测量))eq \x(敏感元件)―→eq \x(转换元件)―→eq \x(转换电路)eq \(――→,\s\up7(电学量))
二、传感器的分类
1．根据检测量的不同，传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器．
2．物理传感器主要利用被测物理量变化时，敏感元件的电学量发生明显变化的特性制成．常见的有：压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等．
3．化学传感器主要是基于化学反应的原理，将化学物质的成份、浓度等化学信息转化为电学量的传感器．
4．生物传感器是一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器．
三、温度传感器的原理
1．温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置．
2．温度传感器的敏感元件有热敏电阻、热电偶、热双金属片等．
3．热敏电阻：利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量，热敏电阻分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻．
四、光电传感器的原理
1．光电传感器是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转化为电信号的传感器．
2．光敏电阻是光电传感器的敏感元件．
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)正温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．( × )
(4)空调、冰箱使用的温度传感器大多是热敏电阻．( √ )
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，当条形磁铁靠近干簧管时：
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，因为当条形磁铁靠近干簧管时，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：
eq \x(非电学量)→eq \x(敏感元件)→eq \x(转换元件)→eq \x(转换电路)→eq \x(电学量)
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、温度传感器的原理
导学探究 如图2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2
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3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3图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线．
图3
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻三类，电阻值随温度升高而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度上升而下降的是负温度系数(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4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4
A．电容器C的带电荷量增大
B．理想电压表的读数增大
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＝eq \f(E,R总)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′＝eq \f(U2,d)，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正确，C错误．
三、光电传感器的原理
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5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5
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．光电传感器的敏感元件是光敏电阻．
2．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．
3．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6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6
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．
四、传感器的应用
(多选)如图7甲所示是电饭锅的电路图，S1是一个限温开关，其内部结构如图乙所示，按下此开关按钮，两触点闭合，当温度达到居里点(103 ℃)时此开关会自动断开．S2是一个自动温控开关，当温度低于70 ℃时会自动闭合，温度高于80 ℃时会自动断开，R1是限流电阻，R2是加热电阻．下列说法正确的是( )
图7
A．当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体吸引，在弹簧的作用下，两触点断开
B．开始煮饭时不按下限温开关S1，一样可以把饭煮熟
C．电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温度在70 ℃到80 ℃之间
D．用电饭锅烧水，当水沸腾后限温开关S1也会自动断开
答案 AC
解析 当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时，由于感温磁体失去了磁性，不能被永磁体吸引，从而在弹簧的作用下，使得两触点断开，选项A正确．如果开始煮饭时不按下限温开关S1，由于S2的作用，当锅内温度低于70 ℃时S2会自动闭合，从而对锅加热，但当温度高于80 ℃时S2会自动断开，使电饭锅处于保温状态，因此锅内的温度控制在70 ℃到80 ℃之间，而无法将饭煮熟，所以选项B错误，C正确．用电饭锅烧水，水沸腾后水的温度会保持100 ℃不变，锅底温度不能达到居里点(103 ℃)，因此限温开关S1不会自动断开，选项D错误．
1．(对传感器的理解)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．(温度传感器的原理)(多选)如图8所示，R1为定值电阻，R2是正温度系数的热敏电阻(即温度越高，电阻值越大)，L为小灯泡，当温度下降时( )
图8
A．理想电流表的示数增大
B．R1两端的电压增大
C．小灯泡变亮
D．小灯泡变暗
答案 ABD
解析 当温度下降时，R2减小，外电路的总电阻减小，总电流增大，路端电压减小，电流表测量总电流，则知其示数增大，选项A正确；总电流增大，则R1两端的电压增大，而路端电压减小，所以灯泡两端的电压减小，灯泡变暗，选项B、D正确，C错误．
3．(光电传感器的原理)如图9所示，电源的电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻，光照强度增大时，其阻值减小．现增大光照强度，则下列判断正确的是( )
图9
A．B灯变暗，A灯变亮
B．R2两端的电压变大
C．B灯变亮，A灯变暗
D．电源的总功率变小
答案 B
解析 增大光照强度时，R1的阻值减小，电路的总电阻减小．根据闭合电路的欧姆定律可知，电路中的总电流增大，电源的总功率增大，路端电压减小，A灯变暗，A中的电流变小，则R2的电流变大，R2两端的电压变大，R1两端的电压变小，B灯变暗，选项B正确，A、C、D错误．
4．(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10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10
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．电视遥控接收器的主要元件不是传感器
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)关于传感器的作用，下列说法正确的是( )
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量
答案 BC
解析 通常的传感器是通过将非电学量转换成电学量来传递信号的，一般不直接用来进行自动控制，选项A错误；由于通常的传感器可将非电学量转换成电学量，因此传感器可以用来采集信息，选项B正确；传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量，但并不是将所有感受到的信号都转换为电学量，选项C正确，D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．在公共场所装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就会开通电热器加热，喷出热空气将手烘干．自动干手机使用的传感器应该是( )
A．磁传感器 B．红外线传感器
C．力传感器 D．声传感器
答案 B
解析 手靠近干手机时，红外线传感器通过接收身体表面辐射出来的红外线来启动加热装置工作，属于红外线传感器，故B正确，A、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．(多选)如图3为电阻R随温度T变化的图线．下列说法中正确的是( )
图3
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．
7.如图4所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高，其阻值越小)，电流表为值班室内的显示器，a、b之间接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U的变化情况是( )
图4
A．I2变大，U变大 B．I2变小，U变小
C．I2变小，U变大 D．I2变大，U变小
答案 D
解析 当传感器R2所在处出现火情时，R2的阻值减小，则外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大，由U＝E－Ir可知，路端电压减小，即报警器两端的电压U将减小；因总电流I增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2＝I－I3变大，选项A、B、C错误，D正确．
8.如图5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5
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＝eq \f(E,R传＋R0＋r)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．
9．(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6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6
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．
10．(多选)电熨斗已经走进千家万户，特别是服装店更离不开它，现在的电熨斗具有自动控制温度功能，可以通过双金属片来控制电路的通断．如图7为电熨斗的结构示意图，下列关于电熨斗的控制电路的说法正确的是( )
图7
A．常温下，电熨斗的上下触点应该是分离的
B．图中双金属片上层的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数
C．熨烫棉麻衣物时需要设定较高的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升
D．熨烫丝绸衣物时需要设定较低的温度，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升
答案 BD
解析 常温时，电熨斗的上下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热．当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀得厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，故A错误，B正确．熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，也就是要求双金属片弯曲程度较大时，两触点分离，所以应使升降螺钉下降；熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，应使升降螺钉上升，故C错误，D正确．
11.霍尔元件是一种磁传感器，是实际生活中的重要元件之一．如图8所示为长度一定的霍尔元件，在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I，在空间加一竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B，霍尔元件中的载流子为负电荷．则下列说法正确的是( )
图8
A．该元件能把电学量转化为磁学量
B．左表面的电势高于右表面
C．如果用该元件测赤道处的磁场，应保持元件上表面呈水平状态
D．如果霍尔元件中的电流大小不变，则左、右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
答案 D
解析 霍尔元件把磁学量转换为电学量，A错误；由于霍尔元件中的载流子为负电荷，则负电荷的运动方向由F到E，由左手定则可知负电荷向左表面偏转，则右表面的电势高，B错误；如果用该元件测赤道处的磁场，由于地磁场与水平面平行，因此如果霍尔元件的上表面保持水平，则左右表面间无电压产生，C错误；根据qvB＝qeq \f(U,d)得，U＝Bdv，又I＝nqSv，联立解得U＝eq \f(IBd,nqS)，可知保持电流不变，则左、右表面的电势差与磁感应强度成正比，D正确．
12.(多选)如图9所示，理想变压器的原线圈与定值电阻r串联，副线圈接热敏电阻RT(温度升高，阻值减小)，在正弦交流电源的电压U0不变的情况下，下列说法正确的是( )
图9
A．当RT的温度升高时，原线圈两端的电压一定减小
B．当RT的温度升高时，原线圈中的电流一定减小
C．当RT的温度降低时，r消耗的功率一定减小
D．当RT的温度降低时，r消耗的功率一定增大
答案 AC
解析 设变压器原线圈的匝数为n1，副线圈的匝数为n2，当RT的温度升高时，其阻值减小，副线圈的电流I2增大，根据eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)，可知原线圈的电流I1增大，根据U0＝I1r＋U1，可知原线圈两端的电压U1减小，故A正确，B错误；同理，当RT的温度降低时，其阻值增大，副线圈的电流I2减小，根据eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)，可知原线圈的电流I1减小，根据P＝I12r，可知r消耗的功率一定减小，故C正确，D错误．
13．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的．在图10甲中，电源的电动势E＝9.0 V，电源内电阻可忽略不计；G为小量程的电流表，电流表内阻RG保持不变；R为热敏电阻，其电阻值随温度的变化关系如图乙的R－t图线所示．闭合开关S.
图10
(1)当R的温度等于40 ℃时，电流表示数I1＝2.25 mA，求电流表内阻RG；
(2)当电流表的示数I2＝4.5 mA时，求热敏电阻R的温度．
答案 (1)500 Ω (2)140 ℃
解析 (1)由R－t图像得，当t＝40 ℃时，R1＝3 500 Ω，再由I1＝eq \f(E,R1＋RG)，得RG＝500 Ω
(2)I2＝eq \f(E,R2＋RG)，代入数据得：R2＝1 500 Ω
由R－t图像可知，此时的温度是140 ℃.