新教材2023年秋高中物理第5章传感器2.常见传感器的工作原理及应用教师用书含答案新人教版选择性必修第二册

2．常见传感器的工作原理及应用1．知道传感器就是把非电学量转换为电学量的器件或装置，其主要元件是敏感元件。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．利用电容器的结构改变影响电容的性质，设计电容式位移传感器。光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻越小。(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，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。光敏电阻阻值随光照强度变化而变化是因为光敏电阻是半导体，光照引起载流子数变化。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温度传感器，称为热电阻，如图甲所示为某金属导线电阻的阻值随温度变化的曲线。3．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图乙所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻值变化比较明显。在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。问题1闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？提示：温度升高时，热敏电阻的阻值变小，干路的电流变大，所以电流表的示数变大。问题2闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？提示：温度降低，热敏电阻的阻值变大，干路中的电流变小，R2两端的电压变小，故电压表的示数变小。1．电阻式传感器性能比较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，随温度升高阻值变大；负温度系数的热敏电阻，随温度升高阻值减小电阻率随温度的升高而增大在强光下电阻小，在弱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优点灵敏度好测温范围大灵敏度好灵敏度好原理温度影响电阻率无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好R＝ρl应用空调机电饭煲照相机电子秤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所示为某热敏电阻阻值随温度变化的特性曲线。(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。热敏电阻【典例1】如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时()A．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C[R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，R1两端的电压减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，故C正确。]传感器问题中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。光敏电阻【典例2】(多选)如图所示，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()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ABC[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正确，D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正确。][跟进训练]1．(2022·山东烟台二中高二阶段练习)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是()A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻C．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D．用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻C[定值电阻阻值不随温度以及光照强度的变化而变化，热敏电阻阻值随温度的变化而变化；光敏电阻阻值随光照强度的变化而变化，置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻，选项A错误；置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件可能是定值电阻，也可能是光敏电阻，选项B错误；用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻，选项C正确；用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件可能是定值电阻，也可能是热敏电阻，D错误。]力传感器的应用——电子秤1．组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是电阻应变片。2．工作原理金属梁自由端受力F⇒金属梁发生弯曲3．作用：电阻应变片将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。力传感器不仅可以测量压力，也可以测量拉力。如图所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各贴一个应变片。问题结合力传感器的特点，叙述它的工作原理。提示：在梁的自由端施加力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大。力传感器的应用——电子秤工作原理1．压力(两个应变片的形变)引起电阻变化。如图所示，金属梁右端固定，上下表面各贴一个应变片，金属梁自由端受力F时，金属梁发生弯曲，上表面应变片拉伸，阻值变大，下表面应变片压缩，阻值变小。2．两个应变片的电压差发生变化，力F越大，电压差就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上表面应变片两端电压变大，下表面应变片两端电压变小。传感器把这两个电压的差值输出，力F越大，输出的电压差值也就越大，这样就把压力的大小转换为电压的大小。【典例3】有一种测量人体重力的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表)。其中AO∶BO＝5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示。压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68V，则：(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式。(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20mA，这个人的重力是多少？[解析](1)由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F(Ω)。(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1＝300Ω，电路中的电流I1＝UR1＝4.68300A(3)当电流表刻度盘的读数为I2＝20mA时，压力传感器的电阻R2＝UI2＝4.6820×10-3Ω＝234Ω，由R＝300－再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550N。[答案](1)R＝300－0.6F(Ω)(2)15.6mA(3)550N[跟进训练]2．(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()A．应变片都是由半导体材料制成的B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之变小C．传感器输出的是应变片上的电压D．外力越大，输出的电压差值也越大BD[常见的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，故A错误；当应变片拉伸时，其电阻变大，反之变小，故B正确；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值，并且随着外力的增大，输出的电压差值越大，故C错误，D正确。]电容式传感器1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。2．常见电容式传感器名称传感器原理测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导电芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导电芯和导电液体构成电容器的两个极，导电芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况测定位移x的电容式传感器随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况【典例4】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思路点拨：根据电容的公式C＝εrS4πkd压力A[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝εrS4πkd，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板所带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。电容式传感器是一种多功能传感器，可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量，分析原理时，关键要搞清是哪个非电学量转换为电容，然后结合电容的决定式来分析。[跟进训练]3．传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是()①C增大表示h增大②C增大表示h减小③C减小表示h减小④C减小表示h增大A．只有①正确 B．只有①③正确C．只有②正确 D．只有②④正确B[液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大，当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。]1．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是()A．金属导体 B．光敏电阻C．热敏电阻 D．电阻应变片C[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，热敏电阻的阻值随温度的升高而增大或随温度的升高而减小，电阻应变片的阻值随机械形变而发生变化，C正确，A、B、D错误。]2．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法正确的是()A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器A[光敏电阻是把光强转换为电阻的元件，热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，故B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻的阻值随温度的变化趋势相反，故C错误，A正确。]3．如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知()A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容不变C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大