第1節(jié) 常見(jiàn)傳感器的工作原理

第5章

|

傳感器及其應(yīng)用第1節(jié)常見(jiàn)傳感器的工作原理核心素養(yǎng)點(diǎn)擊

物理觀(guān)念(1)感受傳感器，知道傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。(2)了解光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件的物理特性和用途。科學(xué)思維(1)體會(huì)傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的物理意義。(2)通過(guò)對(duì)傳感器原理和應(yīng)用的了解，體會(huì)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。科學(xué)探究探究傳感器的工作原理及傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的一般模式。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)傳感器在某些方面可以代替甚至超過(guò)人類(lèi)對(duì)自然的感知，能夠改變?nèi)祟?lèi)的生產(chǎn)生活方式。一、初識(shí)傳感器1．填一填(1)定義

能夠感受外界信息，并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)(主要是

)的器件或裝置。(2)作用

傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著信息采集和轉(zhuǎn)化任務(wù)，把

量轉(zhuǎn)化為

量。電信號(hào)非電學(xué)電學(xué)2．判一判(1)傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件。

()(2)傳感器只能感受溫度和光兩個(gè)物理量。

()(3)傳感器能夠?qū)⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，其核心部件是敏感元件。

(

)√√×敏感轉(zhuǎn)換3．想一想

如圖是交警正在用酒精檢測(cè)儀測(cè)量司機(jī)呼出氣體的酒精濃度。為什么傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量呢？提示：電學(xué)量具有易測(cè)量，易控制，測(cè)量精度和速度較高，易放大、反饋、存儲(chǔ)和可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。特別是電信號(hào)能方便地與計(jì)算機(jī)連接而進(jìn)行信息處理，所以傳感器一般都是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。二、敏感元件1．填一填(1)光敏元件——光敏電阻①特點(diǎn)光照越強(qiáng)，電阻

。②原因無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子

，導(dǎo)電性

。③作用把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為

這個(gè)電學(xué)量。越小增多變好電阻減小增大電壓霍爾磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度電流的大小2．判一判(1)隨著光照的增強(qiáng)，光敏電阻的電阻值逐漸增大。

()(2)只有熱敏電阻才能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。

(

)(3)霍爾元件工作時(shí)，產(chǎn)生的電壓與外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。

()3．選一選有一電學(xué)元件，溫度升高時(shí)其電阻減小，這種元件可能是

(

)A．金屬導(dǎo)體 B．光敏電阻C．熱敏電阻

D．霍爾元件解析：金屬導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而增大，光敏阻是隨光照強(qiáng)度的增大而減小，PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，霍爾元件隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大其兩端的電壓增大，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。答案：C

××√探究(一)

傳感器的工作原理[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]CPU溫度是由CPU內(nèi)置的溫度傳感器偵測(cè)到溫度之后傳達(dá)給BIOS顯示出來(lái)，由BIOS依據(jù)溫度高低來(lái)決定散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。(1)CPU溫度傳感器的作用是什么？主要由什么元件組成？(2)CPU溫度傳感器的存在對(duì)電腦有什么意義？提示：(1)將非電學(xué)量溫度轉(zhuǎn)化為電學(xué)量輸出給BIOS，主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。(2)及時(shí)將CPU溫度傳遞給電腦，防止因CPU溫度過(guò)高而出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

[重難釋解]傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過(guò)放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作。傳感器的工作原理如圖所示。當(dāng)你走近某些賓館、酒樓的大門(mén)時(shí)，門(mén)就會(huì)自動(dòng)為你打開(kāi)；當(dāng)你走進(jìn)門(mén)之后，門(mén)又在你身后自動(dòng)關(guān)上。你覺(jué)得這可能是將下列哪種外界信息轉(zhuǎn)換為有用的信息

(

)A．溫度 B．運(yùn)動(dòng)C．人

D．紅外線(xiàn)[解析]

自動(dòng)門(mén)的自動(dòng)控制要求靈敏、可靠，若以溫度控制，人的體溫與夏季氣溫接近，則在夏季自動(dòng)門(mén)將無(wú)法使用。自動(dòng)門(mén)實(shí)際使用的是紅外線(xiàn)傳感器，紅外線(xiàn)屬于不可見(jiàn)光，人在白天或黑夜均發(fā)出紅外線(xiàn)，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線(xiàn)后傳給自動(dòng)控制裝置的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)、關(guān)門(mén)。故D正確。[答案]

D[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．在電梯門(mén)口放置一障礙物，會(huì)發(fā)現(xiàn)電梯門(mén)不停地開(kāi)關(guān)，這是由于在電梯門(mén)上裝有的傳感器是

(

)A．光傳感器

B．溫度傳感器C．聲傳感器

D．壓力傳感器解析：在電梯門(mén)口放置一障礙物，電梯門(mén)不停地開(kāi)關(guān)，說(shuō)明電梯門(mén)上裝有光傳感器，故選項(xiàng)A正確。答案：A

2．(多選)關(guān)于傳感器，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．麥克風(fēng)工作時(shí)，將感受到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)B．電子秤工作時(shí)，將感受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)C．煙霧傳感器工作時(shí)，將感受到的煙霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警D．聲控?zé)艄ぷ鲿r(shí)，將感受到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電能給燈泡供電解析：傳感器是一種信號(hào)轉(zhuǎn)換器，通常將感受到的外界信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，麥克風(fēng)工作時(shí)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電子秤工作時(shí)將受到的物體的壓力大小的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，煙霧傳感器工作時(shí)將感受到的環(huán)境中的煙霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，選項(xiàng)A、B、C正確；聲控?zé)艄ぷ鲿r(shí)利用聲控開(kāi)關(guān)控制電路的通斷，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并不是給燈泡供電，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案：ABC

探究(二)

敏感元件的特性和應(yīng)用[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]家用汽車(chē)已經(jīng)配備自動(dòng)大燈，可以自動(dòng)控制燈光的開(kāi)啟和關(guān)閉，比如你白天突然進(jìn)入隧道或者清晨傍晚光線(xiàn)不好時(shí)，大燈自動(dòng)打開(kāi)照亮前路，使行車(chē)更安全。請(qǐng)問(wèn)是如何實(shí)現(xiàn)的？提示：用光控開(kāi)關(guān)控制大燈開(kāi)啟，光敏元件收集到光照強(qiáng)度較弱時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，大燈亮起。

[重難釋解]1．光敏元件(1)特點(diǎn)：光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生變化。光照增強(qiáng)時(shí)，電阻減?。还庹諟p弱時(shí)，電阻增大。(2)原因：制作光敏電阻的硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能較差；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。(3)作用：光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。2．熱敏元件(1)熱敏元件種類(lèi)：①正溫度系數(shù)熱敏電阻；②負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。(2)特點(diǎn)：①正溫度系數(shù)熱敏電阻：溫度升高，電阻增加。②負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：溫度升高，電阻減小。(3)原理：①正溫度系數(shù)：溫度升高，載流子減少，電阻增加。②負(fù)溫度系數(shù)：溫度升高，載流子增多，電阻減小。(4)應(yīng)用：電子溫度計(jì)(正溫度系數(shù))；冰箱(負(fù)溫度系數(shù))。3．磁敏元件(1)磁敏元件名稱(chēng)：霍爾元件。(2)特點(diǎn)：在電流不變的情況下，霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。(3)原理：載流子在洛倫茲力的作用下，在與電流和磁場(chǎng)垂直方向聚集，形成霍爾電壓。(4)應(yīng)用：無(wú)刷電機(jī)，接近開(kāi)關(guān)。如圖所示是一火警報(bào)警器的一部分電路示意圖，其中R2為用半導(dǎo)體熱敏電阻(阻值隨溫度的升高而減小)制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報(bào)警器。當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況是

(

)A．I變大、U變大 B．I變小、U變小C．I變小、U變大

D．I變大、U變小[解題指導(dǎo)]

解答本題時(shí)可按以下思路分析：[解析]

當(dāng)R2處出現(xiàn)火情時(shí)，熱敏電阻的阻值將減小，則此時(shí)電路中的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律可知，路端電壓將減小，電路中的總電流增大，所以R1兩端的電壓增大，由于路端電壓減小，則并聯(lián)部分的電壓減小，通過(guò)R3的電流I變小，所以顯示器的電流I變小，報(bào)警器兩端的電壓U變小，故B正確。[答案]

B含有熱敏電阻的電路的動(dòng)態(tài)分析順序[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．對(duì)于確定的一個(gè)霍爾元件，若保持通入的恒定電流不變，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增大時(shí)，霍爾電壓UH應(yīng)

(

)A．不變

B．減小C．增大

D．不確定答案：C2．

(多選)光敏電阻被光照射時(shí)電阻會(huì)變小。如圖所示，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，在有光照射光敏電阻R1時(shí)，燈泡 L正常發(fā)光。當(dāng)無(wú)光照射R1時(shí)，下列判斷中正確的是

(

)A．通過(guò)光敏電阻R1的電流將變小B．光敏電阻R1兩端的電壓不變C．電源兩端的電壓變大D．燈泡消耗的功率變大解析：由題知光敏電阻被光照射時(shí)電阻會(huì)變小，當(dāng)無(wú)光照射R1時(shí)電阻增大，根據(jù)閉合電路歐姆定律得知，通過(guò)光敏電阻R1的電流將變小，故A正確。光敏電阻R1兩端的電壓U1＝E－I(RL＋r)，I變小，U1增大，故B錯(cuò)誤。由于電源兩端的電壓隨外電阻的增大而增大，所以電源兩端的電壓變大，故C正確。燈泡的電阻不變，電流變小，其消耗的功率變小，故D錯(cuò)誤。答案：AC

3．(多選)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三個(gè)元件，將這三個(gè)元件分

別接入如圖所示電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或者把元件

置入熱水中，觀(guān)察歐姆表的示數(shù)，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是熱敏電阻B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化的一定是定值電阻C．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)變化較大的一定是光敏電阻D．用黑紙包住與不用黑紙包住相比，歐姆表示數(shù)相同的一定是定值電阻解析：熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值不隨溫度發(fā)生變化，故A正確，B錯(cuò)誤；光敏電阻的阻值隨光照的變化而變化，而定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨光照的變化而變化，故C正確，D錯(cuò)誤。答案：AC

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維1．(多選)電容式加速度傳感器的原理圖如圖所示，質(zhì)量塊左、右兩側(cè)分別連接電介質(zhì)、輕質(zhì)彈簧，彈簧與電容器固定在外框上，質(zhì)量塊可帶動(dòng)電介質(zhì)移動(dòng)，改變電容。則

(

)A．越多的電介質(zhì)插入極板間，電容器電容越小B．當(dāng)傳感器以恒定加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路中有恒定電流C．若傳感器原來(lái)向右勻速運(yùn)動(dòng)，突然減速時(shí)彈簧會(huì)壓縮D．當(dāng)傳感器由靜止突然向右加速時(shí)，電路中有順時(shí)針?lè)较虻碾娏鞔鸢福篊D

二、注重學(xué)以致用和思維建模2．某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)在用“多用電表研究熱敏電阻特性”的實(shí)驗(yàn)中，

安裝好如圖所示的裝置。向杯內(nèi)加入冷水，此時(shí)溫度計(jì)的示數(shù)為

20℃，多用電表選擇適當(dāng)?shù)谋堵剩x出熱敏電阻的阻值。然后向

杯內(nèi)加入熱水，當(dāng)溫度計(jì)的示數(shù)為60℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)多用電表的指針

偏轉(zhuǎn)角度較大，則下列說(shuō)法正確的是

(

)A．多用電表應(yīng)選用電流擋，溫度升高時(shí)換用大量程測(cè)量B．多用電表應(yīng)選用電流擋，溫度升高時(shí)換用小量程測(cè)量C．多用電表應(yīng)選用歐姆擋，溫度升高時(shí)換用倍率大的擋測(cè)量D．多用電表應(yīng)選用歐姆擋，溫度升高時(shí)換用倍率小的擋測(cè)量解析：測(cè)電阻應(yīng)選用歐姆擋。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻的阻值受溫度變化的影響，多用電表的指針偏轉(zhuǎn)角度增大，說(shuō)明電阻的阻值變小，所以應(yīng)換用倍率小的擋測(cè)量，