第1、2节 认识传感器 常见传感器的工作原理及应用

第五章|传感器

第1、2节认识传感器常见传感器的工作原理及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换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。科学思维(1)能尝试将实际问题中的对象与过程转换成物理模型。(2)能分析传感器中非电学量转换成电学量的原理。科学探究探究传感器的工作原理及传感器在应用中的一般模式。科学态度与责任(1)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。(2)认同物理的技术应用应考虑道德与规范的要求，能认识传感技术应用与人类社会发展的关系。一、认识传感器1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于______和处理的如电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的装置。2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。3．传感器应用的一般模式传送(1)传感器的种类有物理传感器、化学传感器和生物传感器。(2)传感器的基本部分一般由敏感元件和转换元件组成。

二、常见传感器的工作原理及应用1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻_____。(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能____；随着光照的增强，载流子______，导电性_____。(3)作用：把__________这个光学量转换为_____这个电学量。越小差增多变好光照强弱电阻2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作_____传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。3．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常_____，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。4．电阻应变片(1)定义：其电阻随着它所受___________的变化而发生变化的力敏元件。(2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。温度明显机械形变(3)力传感器：由________和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。(4)电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。金属热电阻的阻值随温度的升高而增加，而热敏电阻的阻值随温度的升高而降低。

金属梁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．如图是应变片的原理及力学传感器的应用的图片。(1)电子秤的敏感元件是什么？(2)电阻应变片是怎样把非电学量转化为电学量的？提示：(1)电阻应变片。(2)当电阻应变片长度和横截面积发生变化时，由电阻定律可知电阻发生变化。4．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。

()××√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．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：大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻。传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的应该是“非电学信号”，故B正确。答案：B

2．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

3．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·山东青岛调研)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：AB

2．如图是某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图，利用电

压表(内电阻很大)的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽

略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑

动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表的示数为零。设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻为R0，弹簧的劲度系数为k，若不计一切摩擦和其他阻力。(1)求出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式。(2)由(1)的计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于制作刻度。为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在如图的基础上完成改进后的电路原理图，并求出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式。[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物理传感器是将所感受的物理量(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物理量，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

科学探究——分辨不同的传感器元件3．(选自粤教版教材课后练习)有三个失去标记的元件，分别是定

值电阻、热敏电阻和光敏电阻。为识别它们，可将这三个元件分

别接