3.1 认识传感器　传感器的原理 学案

学案1　认识传感器　传感器的原理
[目标定位]　1.了解传感器的概念和种类，知道将非电学量转换成电学量的技术意义.2.知道常见敏感元件的工作原理.3.通过实验了解温度传感器、光电传感器的工作原理，感悟基础知识学习和应用的重要性．
一、什么是传感器及传感器的分类
[要点提炼]
1．传感器是把非电学量变化转换为电学量变化的一种元件．认识传感器就是明确传感器如何“感受”非电学量，常见的“感受”方式有改变接入电路的电阻、电容等．
2．传感器的组成：一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成．(如图1所示，以话筒为例)
图1
3．传感器的分类
(1)按被测量进行划分，可分为加速度传感器、速度传感器、位移传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等．
(2)按传感器的工作原理进行划分，可分为电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、涡流式传感器、动圈式传感器、磁电式传感器、差动变压器式传感器等．
(3)按能量传递方式进行划分，可分为有源传感器和无源传感器两大类．
二、传感器的原理
[要点提炼]
1．温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置．
2．热敏电阻：用半导体材料制成．按热敏电阻阻值随温度变化而变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻．
(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大．
(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小．
3．光电传感器是一种将光学量变化转换为电学量变化的传感器．
4．光敏电阻一般由半导体材料制成．
特点：光照越强，电阻越小．
一、对传感器的认识
图2
例1　如图2是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况．将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何不同？
解析　①把电压表接在b、c之间，油量增加时，R减小，电压表的示数减小；油量减少时，R增大，电压表的示数增大．
②把电压表接在c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R′两端的电压增大，电压表的示数增大，同理，油量减少时，电压表的示数减小．
答案　见解析
二、对热敏电阻的认识及应用
例2　一热敏电阻在温度为 80 ℃时阻值很大，当温度达到100 ℃时阻值就很小，今用一电阻丝给水加热，并配一热敏电阻以保持水温在80 ℃到100 ℃之间，可将电阻丝与热敏电阻并联，一并放入水中，如图3所示，图中R1为热敏电阻，R2为电阻丝．请简述其工作原理．
图3
解析　开始水温较低时，R1阻值较大，电阻丝R2对水进行加热，当水温达到100 ℃左右时，R1阻值变得很小，R2被短路，将停止加热；当温度降低到80 ℃时，R1阻值又变得很大，R2又开始加热．这样就可达到保温的效果．
答案　见解析
三、对光敏电阻的认识及应用
例3　如图4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(　　)
图4
A．电压表的示数减小
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
解析　当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A、D项均错误．由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确．结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确．
答案　BC
传感器
1．(对电容式传感器的认识)电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置，由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一物理量的值．如图5所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四种传感器的作用，下列说法不正确的是(　　)
图5
A．甲图的传感器可以用来测量角度
B．乙图的传感器可以用来测量液面高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力
D．丁图的传感器可以用来测量速度
答案　D
解析　甲图角度变化能导致极板正对面积变化；乙图液面高度变化能导致极板正对面积变化；丙图F变化能导致极板间距变化；丁图中位置变化导致电介质变化．所以，甲、乙、丙、丁分别是测角度、液面高度、压力、位移的的元件．故选D.
2．(对热敏电阻的认识及应用)如图6所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是(　　)
图6
A．变大
B．变小
C．先变大后变小再不变
D．先变小后变大再不变
答案　D
解析　往RT上擦酒精后，酒精挥发吸热，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，根据串联电路的分压特点，电压表示数变小．当酒精挥发完毕后，RT的温度逐渐升高到环境温度后不变，所以热敏电阻的阻值逐渐变小，最后不变，故电压表的示数将逐渐变大，最后不变，所以选项D正确．
3．(对光敏电阻的认识及应用)如图7所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是(　　)
图7
A．严重污染时，LDR是高电阻
B．轻度污染时，LDR是高电阻
C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D．该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
答案　AD
解析　严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响，电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D对．
题组一　对传感器的认识
1．传感器担负着信息采集的任务，它可以(　　)
A．将力学量(如形变量)转变成电学量
B．将热学量转变成电学量
C．将电学量转变成光学量
D．将电学量转变成力学量
答案　AB
解析　传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件．故选项A、B对，选项C、D错．
2.如图1所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属涂层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属涂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，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 (　　)
图1
A．距离变化
B．正对面积变化
C．电介质变化
D．电压变化
答案　A
解析　振动膜前后振动，使振动膜上的金属涂层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号．
3．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为(　　)
A．改变湿度 B．改变温度
C．改变磁场 D．改变电容
答案　D
解析　根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器，手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，故D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作就成了室内烘干机．
4．全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位自动感应装置采用的传感器是(　　)
A．温度传感器
B．压力传感器
C．生物传感器
D．红外线传感器
答案　B
解析　水位不同，压力不同，压力传感器能将压力信号转换为电信号，B正确．
题组二　对温度传感器、热敏电阻的认识及电路分析
5．如图2所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(　　)
图2
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
答案　C
解析　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阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有C正确．
6．小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制．经检查，恒温箱的控制器没有故障．参照图3所示恒温箱原理图，下列选项对故障判断正确的是(　　)
图3
A．只可能是热敏电阻出现故障
B．只可能是温度设定装置出现故障
C．热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D．可能是加热器出现故障
答案　C
解析　由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误．若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误．
题组三　对光敏电阻的认识及电路分析
7．如图4所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，下列说法中正确的是 (　　)
图4
A．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小
B．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大
C．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小
D．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大
答案　AD
解析　光敏电阻的阻值与光照强度有关，光照强度越大，光敏电阻阻值越小．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻阻值变小，电路中电流变大，电源内阻上的电压变大，路端电压变小，所以电压表读数变小，选项A正确；相反，当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电路中电流变小，电源内阻上的电压变小，路端电压变大，所以电压表读数变大，选项D正确．
8.如图5所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势．当用光照射电阻R3时，则(　　)
图5
A．a点电势高于b点电势
B．a点电势低于b点电势
C．a点电势等于b点电势
D．a点电势和b点电势的大小无法比较
答案　A
解析　R3是光敏电阻，当光照增强时电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势．