第一、二节 传感器及其工作原理 传感器的应用

第五章传感器第一、二节传感器及其工作原理

传感器的应用核心素养导学物理观念(1)感受传感器，知道传感器是把非电学量转化成电学量的器件或装置。(2)了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。(3)了解生活中、农业生产中、工业生产中、航天航空中的传感器。科学思维(1)体会传感器将非电学量转化为电学量的物理意义。(2)通过对传感器原理和应用的了解，体会传感器在实际应用中的价值。科学探究探究传感器的工作原理及传感器在实际应用中的一般模式。科学态度与责任体会传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知，能够改变人类的生产生活方式。续表一、什么是传感器传感器的分类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．传感器组成：一般由_____元件、转换元件和转换电路三部分组成。如图所示：3．传感器的分类(1)物理传感器；(2)化学传感器；(3)生物传感器。敏感二、温度传感器的原理光电传感器的原理1．温度传感器的原理(1)温度传感器：将______变化转换为电学量变化的装置。(2)温度传感器中的敏感元件：_____电阻、热电偶、热双金属片等。(3)热敏电阻的分类：①正温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而_____。②负温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而______。③临界温度系数热敏电阻：阻值在很小的温度范围内急剧______。金属热电阻的阻值随温度的升高而增加，而负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而降低。

温度热敏增加下降下降三、传感器的应用1．生活中的传感器(1)与温度传感器相关的应用：电饭煲、电冰箱、微波炉、_______、消毒碗柜等。(2)与红外线传感器相关的应用：自动门、家电遥控器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。(3)与光敏传感器相关的应用：照相机。(4)与压力传感器相关的应用：家用便携式电子秤。空调机2．农业生产中的传感器(1)湿度传感器的应用：无人管理的自动喷灌系统。(2)温度传感器的应用：自动控温的蔬菜大棚。(3)现代粮库采用温度传感器和湿度传感器，通过对通风装置进行自动控制，有效地减少粮库里的霉变。3．工业生产中的传感器(1)汽车生产线上的焊接机器人是视觉传感器、力学传感器、温度传感器、电弧传感器等的联合应用。(2)埋入式______传感器安置在大桥或水坝中，可以实时监测大桥或水坝的裂痕等安全隐患。光纤4．航天航空中的传感器(1)运载火箭上应用的压力传感器。(2)哈勃空间望远镜上应用的高精度光学传感器。(3)载人飞船中应用的生理传感器。1.当我们进入宾馆的大门时，门自动开启，当我们通过后，门自动关闭。这是为什么？提示：红外线传感器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，使门扇开启。门扇开启后由控制器做出判断，如需关门，通知马达做反向运动，关闭门扇。2．传感器的应用促进了人工智能的发展，无人驾驶汽车就是典型的实例。判断下列流程是否正确。(1)非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件。

()(2)电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量。

()(3)非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量。

()××√3．如图所示，电吉他的弦是软磁性材料，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来。判断以下说法的正误。(1)电吉他是光电传感器。

()(2)电吉他是温度传感器。

()(3)电吉他是声音传感器。

()××√4．交警用酒精检测仪测量司机呼出气体的酒精浓度。为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？提示：电学量具有易测量、易控制、测量精度和速度较高、易放大、易反馈、易存储、可远距离传输等特点。特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。新知学习(一)|传感器的工作原理[任务驱动]干簧管结构如图甲所示，它是在玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙所示电路，当磁铁靠近干簧管时。(1)观察到什么现象？(2)干簧管的原理是什么？提示：(1)磁铁靠近干簧管时，灯泡就会发光；把磁铁移走，灯泡熄灭。(2)干簧管的两个簧片在外加磁场的作用下被磁化成相反磁性的磁极而连通，没有外加磁场时两簧片失去磁性而分开。

[重点释解]1．传感器的组成和工作流程(1)传感器的组成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：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、电阻等电学量或电路的通断等。[典例体验][典例]

(2022·福州高二检测)某电容式话筒的原理示意图如图所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动，在P向左运动的过程中

(

)A．P、Q构成的电容器的电容增大B．P上电荷量保持不变C．M点的电势比N点的低D．M点的电势比N点的高[答案]

D[拓展]对应[典例]的情境，电容式话筒是怎样利用改变电容器电容实现把声音的变化转换为电信号的？提示：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，声音信号被话筒转化为电信号。/方法技巧/分析传感器时要明确的问题(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；(3)是如何显示或控制开关的。[针对训练]1．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息

(

)A．温度 B．运动C．人 D．光线解析：自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门，D正确。答案：D

2．传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器。如图所示，键盘上每一个键的下面都连有一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两个金属片组成一个小电容器，当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。这种计算机键盘使用的是

(

)A．温度传感器

B．压力传感器C．磁传感器

D．光传感器解析：小金属片被按下时，作用的压力不一样，小金属片下移的距离不同，两个极板之间的距离不同，电容就不同，即将压力这个力学量转换为电容这个电学量，所以计算机键盘使用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误。答案：B

新知学习(二)|电阻式传感器的应用[重点释解]

热敏电阻金属热电阻光敏电阻电阻应变片特点正温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻变大；负温度系数的热敏电阻，随温度升高电阻减小电阻率随温度的升高而增加在强光下电阻小，在暗光下电阻大受到拉力时，电阻变大；受到压力时，电阻变小敏感材料半导体金属把硫化镉涂敷在绝缘板上，其表面镀银金属材料续表[典例体验][典例]

(2022·河源高二检测)药物生产车间需要严格控制室内温度范围，尽量保证较小的温度波动。如图是某监控温度波动的报警系统原理图，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，当报警器两端的电压变化量超出设定值时，报警器就会自动报警。下列说法正确的是

(

)A．温度升高，报警器两端电压减小B．温度降低，热敏电阻的热功率一定增大C．滑动变阻器接入电路的阻值越大，报警器越容易报警D．滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警无关[解析]

温度升高，热敏电阻的阻值减小，电路中总电阻减小，总电流增大，内电压增大，路端电压减小，则报警器两端电压减小，A正确；温度降低，热敏电阻的阻值增大，电路中总电阻增大，总电流减小，内电压减小，路端电压增大，则报警器两端电压增大，通过热敏电阻的电流减小，根据热功率表达式P＝I2R，可知热敏电阻的热功率不一定增大，B错误；若滑动变阻器接入电路的阻值很大，当热敏电阻的阻值变化时，报警器两端的电压变化量不大，报警器不容易报警，因此滑动变阻器接入电路的阻值与报警器是否容易报警有关，C、D错误。[答案]

A/方法技巧/含传感器的电路动态分析的四点注意(1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化。(2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。[针对训练]1．(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

(

)A．电容器C的带电荷量增加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消耗的功率增大答案：AB2．(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元

件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或

者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是

(

)A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻解析：热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误。答案：AC

[答案]

(1)evB

(2)见解析[系统归纳]1．传感器综合问题的分析步骤传感器是将所感受的非电学量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集。(2)信息加工、放大、传输。(3)利用所获得的信息执行某种操作。2．分析传感器问题要注意三点(1)感受量分析：要明确传感器所感受的非电学量，如力、热、光、磁、声等。(2)输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律。(3)电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律。[针对训练]1．如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏) (

)A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不动D．向左偏到某一刻度后不动答案：A

答案：AC一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——对传感器工作原理的认识1．(选自沪科版新教材课后练习)(多选)如图是一种测定压力的电

容式传感器。当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜

片产生形变，引起电容的变化。如果将这个电容式传感器、电流计和电源串接成闭合电路，那么

(

)A．当F向上压膜片电极时，电容将变小B．当F向上压膜片电极时，电容将变大C．若电流计示数有变化，则表明压力F发生变化D．若电流计示数有变化，则表明压力F不发生变化答案：BC

科学思维——传感器的电路分析2．(选自鲁科版新教材课后练习)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升降机运动状态的装置，其工作原理如图所示。将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发现电流表的示数I不变，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，在这段时间内

(

)A．升降机可能匀速上升B．升降机一定匀减速上升C．升降机一定处于失重状态D．通过压敏电阻的电流一定比电梯静止时大解析：I＞I0，说明R两端分压变大，电源内阻分压变小，总电流变小，总电阻变大，则压敏电阻的阻值变大了，其所受压力减小，物块所受支持力小于重力，处于失重状态，可能加速下降或减速上升，A、B错误，C正确；由于总电流变小，电流表示数变大，则通过压敏电阻的电流比电梯静止时小，D错误。答案：C

二、新题