第1、2节　认识传感器 常见传感器的工作原理及应用

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)了解光敏电组、金属热电组、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。续表科学思维(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．填一填(1)神奇的传感器①干簧管是一种能够感知______的传感器。②楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光控”开关。③一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安装了_______传感器。磁场红外线④交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上面安装了______传感器。⑤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。⑥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。乙醇传送(2)传感器的种类①物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。②化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。③生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。(3)传感器的组成与应用模式①传感器的基本部分组成a．敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。b．转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。②传感器应用的一般模式2．判一判(1)传感器是用来采集信息的装置。

()(2)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。

()(3)“酒精检测仪”是属于化学传感器。

()√×√二、常见传感器的工作原理及应用1．填一填(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。温度明显(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。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。机械形变金属梁2．判一判(1)光敏电阻随着光照的逐渐增强，导电性逐渐变好。

()(2)热敏电阻能够把热学量转换为电学量，可用于快速测温。

()(3)金属热电阻和热敏电阻在温度升高时电阻值都变大。

()√√×探究(一)传感器的工作原理

[问题驱动]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。[重难释解]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。(2)传感器的工作流程。2．传感器的原理传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。3．传感器的作用能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求，把这些信息转换成可用的输出信息的器件和装置，叫作传感器。传感器是各种测量和自动控制系统的“感觉器官”。4．分类(1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器。(2)按传感器工作原理分为：压电、电容、电感、磁电、光电、热电等传感器。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。[素养训练]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：传感器工作的一般流程：非电学量敏感元件

转换元件

电学量，因此A、B、D错，C对答案：C2．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”。故只有B正确。答案：B探究(二)电阻式传感器的应用分析[重难释解]1．电阻式传感器性能比较项目

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2．热敏电阻和金属热电阻随温度变化的特点(1)热敏电阻：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①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器。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。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探究(三)传感器的应用[重难释解]1．传感器的应用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。霍尔电势高低的判断方法(1)由左手定则判断带电粒子的受力方向，如果带电粒子是正电荷，则拇指所指的面为高电势面；如果是负电荷，则拇指所指的面为低电势面，但无论是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向。(2)在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。[素养训练]1．如图所示，截面为矩形的金属导体，放在匀强磁场中，当导体中通有电流时，导体的上下表面的电势有什么关系

(

)A．φM>φN

B．φM＝φNC．φM<φN

D．无法判断解析：霍尔效应形成的原因是带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，做定向移动形成的，根据左手定则，金属导体中自由电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以φM＞φN。答案：A一、培养创新意识和创新思维1．用光敏电阻制成的光敏传感器有许多用处。例如，一种简易的监测水中悬浮颗粒污染程度的监测器就利用了光敏电阻的特点(图1)。被污染的水中常含有悬浮的颗粒，它们会影响光的通过。当光穿过水照到光敏电阻上时，到达光敏电阻的光量与水的污染程度有关(图2)。当水污染严重时，光敏电阻受光量很小，电阻很大，指示灯不亮；当水污染不严重时，光敏电阻的受光量大，电阻小，指示灯变亮。

(1)严重污染时，光敏电阻是高电阻还是低电阻？(2)该监测器的使用受白天和晚上的影响吗？提示：(1)高电阻。(2)因自然光强弱不同，或多或少对光敏电阻的阻值产生影响。解析：由题意结合题图可知，白天有光照时，光传感器自动断开，夜晚无光照时，光传感器自动闭合，故A错误，B正确；由题意可知，有人走动或发出声音时，声音传感器自动闭合，无人走动或没有声音时，声传感器自动断开，故C正确，D错误。答案：BC解析