2023-2023学年高中创新设计物理粤教版选修3-2学案：第三章 1-2 认识传感器 传感器的原理

第页[目标定位]1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.2.知道将非电学量转化为电学量的意义.3.了解光敏电阻、热敏电阻的性能，知道温度传感器、光电传感器的工作原理及作用．一、对传感器的理解1．定义：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置．2．作用：能将被测的非电学量转换成为各种易于测量的电信号．3．组成及原理4．分类(1)按被测量分加速度、速度、位移、压力、温度、负荷、扭矩传感器等．(2)按工作原理分电阻应变式、压电式、电容式、涡流式、动圈式、磁电式、差动变压器式传感器等．(3)按能量传递方式分有源传感器和无源传感器．深度思考传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用？答案传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用．例1如图1所示，是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请答复：当油箱中油量减少时，电压表的示数将______(选填“增大〞或“减小〞)．图1答案c、d减小解析由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化．当油量减少时，R的数值会增大，电路中的电流会减小．c、d间的电压会减小．当把电压表接在c、d两点间，电压表数值减小时，表示油量在减小．传感器问题的分析思路不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化.因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化.二、温度传感器的原理1．作用：将温度变化转换为电学量变化，通过测量传感器元件的电学量随温度变化来实现温度的测量．2．热敏电阻的特性：热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．3．应用：电饭煲、空调机、电热水器、微波炉等．深度思考热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小？答案不是．正温度系数热敏电阻(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻(NTC)在温度升高时电阻值减小．例2如图2所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，假设用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡的亮度变化是__________，发生这一现象的主要原因是________(填选项序号)．图2A．小灯泡的电阻发生了变化B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化D．电源的电压随温度发生了变化答案变暗C解析电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．例3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3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3A．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消耗的功率增大解析当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝eq\f(E,R总)知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压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．答案AB三、光电传感器的原理1．应用：路灯光电自动开关电路和红外楼道照明开关电路．2．光敏电阻特性：光敏电阻的阻值随光照的增强而减小．3．作用：将光学量变化转换为电学量变化．深度思考现在楼道里的电灯有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启，而在白天，即使有声音它也没有反响．问它的控制电路中应用了哪几种传感器？答案应用了两种传感器：声电传感器和光电传感器．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中有声电传感器，而在白天即使有声音它也不亮，说明它的控制电路中还有光电传感器．例4如图4所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时()图4A．电压表的示数减小 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BC解析当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A、D项错误．由路端电压减小，而R1两端电压增大，可知R2两端电压必减小，故R2中电流减小，B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，那么小灯泡的功率增大，C项正确．解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题：①明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性；②解题思路：R局eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,减小))→R总eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,减小))→I总eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(减小,增大))→U端eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,减小))⇒eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(I分的变化,U分的变化))1．(对传感器的理解)用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程．以下属于这类传感器的是()A．红外报警装置B．走廊照明灯的声控开关C．自动洗衣机中的压力传感装置D．电饭煲中控制加热和保温的温控器答案A解析遥控器是利用红外线传输信号的，故A项正确．2．(热敏电阻的特性)如图5所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时()图5A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱答案C解析R2与灯泡L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻R2温度降低时，它的电阻值增大，外电路电阻增大，电流示数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡亮度变强，R1两端的电压减小，故C正确，其余各项均错．3．(光敏电阻的特性)如图6所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，闭合开关S后，以下说法中正确的选项是()图6A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变答案A解析当滑动触头P向左移动时，使其电阻减小，那么流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，通过灯泡L的电流增大，那么L消耗的功率增大，A正确，B、D错误；当滑动触头P向右移动时，可分析出L消耗的功率变小，C错误．题组一对传感器的理解1．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，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．改变湿度 B．改变温度C．改变磁场 D．改变电容答案D解析手靠近干手机后，使电容式传感器的电容改变，干手机内的电热器工作．2．传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件．如图1所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号．电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜．假设声源S发出频率恒定的声波使a振动，那么a在振动过程中()图1A．a、b板之间的电场强度不变B．a、b板所带的电荷量不变C．电路中始终有方向不变的电流D．向右位移最大时，电容器的电容最大答案D解析a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E＝eq\f(U,d)知场强变化，A错误；由C＝eq\f(εrS,4πkd)知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D正确；由Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误．3．(多项选择)电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置．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，以下说法正确的选项是()图2A．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ABC4.为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图3所示的流量计．该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口．在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极．污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U.假设用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，以下说法中正确的选项是()图3A．假设污水中正离子较多，那么前外表比后外表电势高B．假设污水中负离子较多，那么前外表比后外表电势高C．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大D．污水流量Q与U成正比，与a、b无关答案D解析由左手定那么可以判断出正离子较多时，正离子受到的洛伦兹力使其向后外表偏转聚集而导致后外表电势升高，同理负离子较多时，负离子向前外表偏转聚集而导致前外表电势低，故A、B错误．设前、后外表间的最高电压为U，那么eq\f(qU,b)＝qvB，所以U＝vBb，由此可知U与离子浓度无关，故C错误．因Q＝vbc，而U＝vBb，所以Q＝eq\f(Uc,B)，D正确．题组二热敏电阻的特性5．如图4所示是一个火灾报警器的局部电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料(负温度系数)制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是()图4A．I增大，U增大 B．I减小，U减小C．I减小，U增大 D．I增大，U减小答案B解析当R2所在处出现火情时，半导体热敏材料制成的传感器的电阻将减小，那么此时电路中的总电阻减小，由闭合电路的欧姆定律可知：外电路的电压将减小，电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，R3两端的电压将减小，显示器的电流减小．故正确选项为B.6．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5甲所示，电源的电动势E＝9V，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变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1＝2mA；当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻的温度是()图5A．60℃ B．80℃C．100℃ D．120℃答案D解析在20℃时，E＝(Rg＋R1)I1，得Rg＝500Ω，设温度为t时，E＝(Rg＋R2)I2，代入数据得R2＝2000Ω，从题图乙中可以看出t＝120℃，应选D.题组三光敏电阻的特性7．如图6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；现用手掌挡住局部光线，表针的偏角为θ′，那么可判断()图6A．θ′＝θB．θ′＜θC．θ′＞θD．不能确定答案B解析光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住局部光线，阻值变大，指针自左向右偏转角度变小．8．如图7甲所示，光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照，那么R2两端的电压变化是以下图中的()图7答案B解析光敏电阻阻值随光照的增强而减小，根据题图乙知R2两端的电压随之同频率地先减小后增大