第五章 1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修二
文档属性
| 名称 | 第五章 1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修二 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 402.3KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-03-10 15:34:57 | ||
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文档简介
第五章 传感器
1 认识传感器
2 常见传感器的工作原理及应用
[学习目标]
1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。
2.知道传感器的组成与应用模式。
3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
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1．传感器
(1)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传送和处理的____________(通常是________、电流等电学量)输出，或转换为电路的________的器件或装置。
(2)功能：把____________量转化为______量，可以方便地进行测量、传输、处理和________。
2．传感器的种类、组成与应用模式
(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为________传感器、________传感器和________传感器。
(2)组成：传感器主要由________________、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。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：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)传感器应用的一般模式：
例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制成的
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．水银温度计是一种传感器
例2 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器
B．化学传感器
C．生物传感器
D．温度传感器
二、光敏电阻
1．特点：在被光照射时________发生变化，阻值随光照强度的增强而明显________。
2．阻值发生变化的原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子________，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。
4．应用实例：在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。当光被产品挡住时，R1电阻________(填“增大”“减小”或“不变”)，电路中电流减小，R2两端电压________(填“增大”“减小”或“不变”)，信号处理系统得到________(填“高”或“低”)电压，每通过一个产品就获得一次______(填“高”或“低”)电压，并计数一次。
例3 (2022·江苏省上冈高级中学期中)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小。从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220sin 100πt(V)，则( )
A．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变小
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变大
三、金属热电阻和热敏电阻
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而________，如图中图线①所示。
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而________的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。
3．作用：金属热电阻和热敏电阻把________这个热学量转换成________这个电学量。
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
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例4 电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是( )
A．图线1是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
例5 (2022·连云港市高二校联考阶段练习)如图所示是一火灾报警器的电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变大
B．I变大，U变小
C．I变小，U变大
D．I变小，U变小
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时，其电阻也随之变化的现象。
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和________________，后者的工作原理是基于半导体材料的________________。
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为________这个电学量。
4.应用实例：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。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________(填“大”或“小”)，下表面应变片的电阻变________(填“大”或“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________(填“大”或“小”)，下表面应变片两端的电压变______(填“大”或“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________(填“大”或“小”)。
例6 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竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
五、电容式传感器
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。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，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离关系来工作，试分析它的工作原理。
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例7 如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框左右移动(不能上下移动)，电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是( )
A．汽车保持静止时，电容器不带电
B．汽车静止时与做直线运动时，电容器的电容可能相同
C．汽车由静止突然向右加速，电路中有逆时针方向的电流
D．汽车向右做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流
1 认识传感器
2 常见传感器的工作原理及应用
[学习目标] 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。2.知道传感器的组成与应用模式。3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
1．传感器
(1)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传送和处理的可用信号(通常是电压、电流等电学量)输出，或转换为电路的通断的器件或装置。
(2)功能：把非电学量转化为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类、组成与应用模式
(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
(2)组成：传感器主要由敏感元件、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。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：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)传感器应用的一般模式：
例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制成的
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．水银温度计是一种传感器
答案 B
解析 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据液体的热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。
例2 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器
B．化学传感器
C．生物传感器
D．温度传感器
答案 C
解析 酶标法的原理是利用了生物酶，故应为生物传感器，C正确。
二、光敏电阻
1．特点：在被光照射时电阻发生变化，阻值随光照强度的增强而明显减小。
2．阻值发生变化的原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；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。
4．应用实例：在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。当光被产品挡住时，R1电阻增大(填“增大”“减小”或“不变”)，电路中电流减小，R2两端电压减小(填“增大”“减小”或“不变”)，信号处理系统得到低(填“高”或“低”)电压，每通过一个产品就获得一次低(填“高”或“低”)电压，并计数一次。
例3 (2022·江苏省上冈高级中学期中)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小。从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220sin 100πt(V)，则( )
A．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变小
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变大
答案 B
解析 由＝知，U2不变，电压表示数不变，故A、D错误；天逐渐变黑的过程中， 光照强度减小，光敏电阻的阻值增大，根据I2＝，可知电流表A2示数减小，根据＝，匝数比不变，故A1的示数减小，故B正确，C错误。
三、金属热电阻和热敏电阻
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图中图线①所示。
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。
3．作用：金属热电阻和热敏电阻把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
答案 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。
例4 电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是( )
A．图线1是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
答案 D
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A、B错误；图线1对应的材料化学稳定性好，但灵敏度差，图线2对应的材料化学稳定性差，但灵敏度高，所以C错误，D正确。
例5 (2022·连云港市高二校联考阶段练习)如图所示是一火灾报警器的电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变大 B．I变大，U变小
C．I变小，U变大 D．I变小，U变小
答案 D
解析 当传感器R2所在处出现火情时，R2阻值变小，R2与R3的并联总电阻减小，外电路的总电阻R减小，由闭合电路欧姆定律可知电路的总电流增大，电源的内电压变大，由U＝E－I总r，可知路端电压减小，即报警器两端电压U减小，电路中并联部分的电压U并＝E－I总(R1＋r)，由于I总变大，则可知U并变小，则根据部分电路的欧姆定律可知通过显示器的电流I变小。故选D。
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时，其电阻也随之变化的现象。
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，后者的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
4.应用实例：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。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(填“大”或“小”)，下表面应变片的电阻变小(填“大”或“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(填“大”或“小”)，下表面应变片两端的电压变小(填“大”或“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(填“大”或“小”)。
例6 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竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
答案 C
解析 从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2～t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。
五、电容式传感器
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。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，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离关系来工作，试分析它的工作原理。
答案 电容式话筒利用振动膜片接收空气振动信号，振动膜片与固定电极之间形成一个电容，两者之间的距离变化会导致其电容的变化。在电容器两端施加恒定的电压，通过电容器的电流就会变化。将这个电流信号进行转换，即可输出音频信号。
例7 如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框左右移动(不能上下移动)，电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是( )
A．汽车保持静止时，电容器不带电
B．汽车静止时与做直线运动时，电容器的电容可能相同
C．汽车由静止突然向右加速，电路中有逆时针方向的电流
D．汽车向右做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流
答案 B
解析 汽车保持静止时，Q＝CU，电容器带电，故A错误；汽车静止时与做匀速直线运动时，弹簧长度相同，电容器的电容相同，故B正确；当汽车向右加速运动时，电容器电介质相对于电容器向左运动，由C＝可知电容变大，因两极板间的电压不变，则电容器所带的电荷量增加，电路中有顺时针方向的电流，故C错误；汽车向右做匀加速运动过程中，加速度不变，弹簧伸长量不变，电容器充电完成后，不再有电流，故D错误。
1 认识传感器
2 常见传感器的工作原理及应用
[学习目标]
1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。
2.知道传感器的组成与应用模式。
3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
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1．传感器
(1)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传送和处理的____________(通常是________、电流等电学量)输出，或转换为电路的________的器件或装置。
(2)功能：把____________量转化为______量，可以方便地进行测量、传输、处理和________。
2．传感器的种类、组成与应用模式
(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为________传感器、________传感器和________传感器。
(2)组成：传感器主要由________________、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。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：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)传感器应用的一般模式：
例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制成的
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．水银温度计是一种传感器
例2 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器
B．化学传感器
C．生物传感器
D．温度传感器
二、光敏电阻
1．特点：在被光照射时________发生变化，阻值随光照强度的增强而明显________。
2．阻值发生变化的原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子________，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。
4．应用实例：在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。当光被产品挡住时，R1电阻________(填“增大”“减小”或“不变”)，电路中电流减小，R2两端电压________(填“增大”“减小”或“不变”)，信号处理系统得到________(填“高”或“低”)电压，每通过一个产品就获得一次______(填“高”或“低”)电压，并计数一次。
例3 (2022·江苏省上冈高级中学期中)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小。从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220sin 100πt(V)，则( )
A．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变小
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变大
三、金属热电阻和热敏电阻
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而________，如图中图线①所示。
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而________的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。
3．作用：金属热电阻和热敏电阻把________这个热学量转换成________这个电学量。
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
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例4 电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是( )
A．图线1是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
例5 (2022·连云港市高二校联考阶段练习)如图所示是一火灾报警器的电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变大
B．I变大，U变小
C．I变小，U变大
D．I变小，U变小
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时，其电阻也随之变化的现象。
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和________________，后者的工作原理是基于半导体材料的________________。
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为________这个电学量。
4.应用实例：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。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________(填“大”或“小”)，下表面应变片的电阻变________(填“大”或“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________(填“大”或“小”)，下表面应变片两端的电压变______(填“大”或“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________(填“大”或“小”)。
例6 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竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
五、电容式传感器
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。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，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离关系来工作，试分析它的工作原理。
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例7 如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框左右移动(不能上下移动)，电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是( )
A．汽车保持静止时，电容器不带电
B．汽车静止时与做直线运动时，电容器的电容可能相同
C．汽车由静止突然向右加速，电路中有逆时针方向的电流
D．汽车向右做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流
1 认识传感器
2 常见传感器的工作原理及应用
[学习目标] 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。2.知道传感器的组成与应用模式。3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理
干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？
(2)干簧管的作用是什么？
答案 (1)灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
1．传感器
(1)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传送和处理的可用信号(通常是电压、电流等电学量)输出，或转换为电路的通断的器件或装置。
(2)功能：把非电学量转化为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类、组成与应用模式
(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
(2)组成：传感器主要由敏感元件、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。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：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)传感器应用的一般模式：
例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制成的
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．水银温度计是一种传感器
答案 B
解析 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据液体的热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。
例2 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器
B．化学传感器
C．生物传感器
D．温度传感器
答案 C
解析 酶标法的原理是利用了生物酶，故应为生物传感器，C正确。
二、光敏电阻
1．特点：在被光照射时电阻发生变化，阻值随光照强度的增强而明显减小。
2．阻值发生变化的原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；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。
4．应用实例：在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。当光被产品挡住时，R1电阻增大(填“增大”“减小”或“不变”)，电路中电流减小，R2两端电压减小(填“增大”“减小”或“不变”)，信号处理系统得到低(填“高”或“低”)电压，每通过一个产品就获得一次低(填“高”或“低”)电压，并计数一次。
例3 (2022·江苏省上冈高级中学期中)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小。从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220sin 100πt(V)，则( )
A．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变小
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，电压表V的示数变大
答案 B
解析 由＝知，U2不变，电压表示数不变，故A、D错误；天逐渐变黑的过程中， 光照强度减小，光敏电阻的阻值增大，根据I2＝，可知电流表A2示数减小，根据＝，匝数比不变，故A1的示数减小，故B正确，C错误。
三、金属热电阻和热敏电阻
1．金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如图中图线①所示。
2．热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图中图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。
3．作用：金属热电阻和热敏电阻把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
答案 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。
例4 电阻R随温度T变化的图像如图所示。下列说法正确的是( )
A．图线1是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
答案 D
解析 金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A、B错误；图线1对应的材料化学稳定性好，但灵敏度差，图线2对应的材料化学稳定性差，但灵敏度高，所以C错误，D正确。
例5 (2022·连云港市高二校联考阶段练习)如图所示是一火灾报警器的电路示意图，其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。电流表为值班室的显示器，电源两极之间接一报警器，当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是( )
A．I变大，U变大 B．I变大，U变小
C．I变小，U变大 D．I变小，U变小
答案 D
解析 当传感器R2所在处出现火情时，R2阻值变小，R2与R3的并联总电阻减小，外电路的总电阻R减小，由闭合电路欧姆定律可知电路的总电流增大，电源的内电压变大，由U＝E－I总r，可知路端电压减小，即报警器两端电压U减小，电路中并联部分的电压U并＝E－I总(R1＋r)，由于I总变大，则可知U并变小，则根据部分电路的欧姆定律可知通过显示器的电流I变小。故选D。
四、电阻应变片
1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时，其电阻也随之变化的现象。
2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片，后者的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
4.应用实例：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。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(填“大”或“小”)，下表面应变片的电阻变小(填“大”或“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(填“大”或“小”)，下表面应变片两端的电压变小(填“大”或“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(填“大”或“小”)。
例6 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竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是( )
A．0到t1时间内，升降机一定静止
B．t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动
C．t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化
D．t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
答案 C
解析 从0～t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1～t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；t2～t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN′－mg＝ma′，合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2～t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。
五、电容式传感器
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。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，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离关系来工作，试分析它的工作原理。
答案 电容式话筒利用振动膜片接收空气振动信号，振动膜片与固定电极之间形成一个电容，两者之间的距离变化会导致其电容的变化。在电容器两端施加恒定的电压，通过电容器的电流就会变化。将这个电流信号进行转换，即可输出音频信号。
例7 如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框左右移动(不能上下移动)，电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是( )
A．汽车保持静止时，电容器不带电
B．汽车静止时与做直线运动时，电容器的电容可能相同
C．汽车由静止突然向右加速，电路中有逆时针方向的电流
D．汽车向右做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流
答案 B
解析 汽车保持静止时，Q＝CU，电容器带电，故A错误；汽车静止时与做匀速直线运动时，弹簧长度相同，电容器的电容相同，故B正确；当汽车向右加速运动时，电容器电介质相对于电容器向左运动，由C＝可知电容变大，因两极板间的电压不变，则电容器所带的电荷量增加，电路中有顺时针方向的电流，故C错误；汽车向右做匀加速运动过程中，加速度不变，弹簧伸长量不变，电容器充电完成后，不再有电流，故D错误。