1．传感器
2．温度传感器和光传感器
[学习目标] 1.了解传感器的概念、结构及各部分的作用．(难点) 2.通过实验感知半导体热敏电阻的特性．(重点) 3.了解干簧管的构造及作用．(重点) 4.知道温度与光传感器常用的敏感元件及其在生活、生产中的应用．(重点)
一、传感器
1．
2．敏感元件的原理
(1)根据感知原理分类
①物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应．
②化学类：基于化学反应的原理．
③生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能．
(2)原理：大多数传感器是通过敏感元件把非电学量转变为电学量，或转化为电路的控制开关，从而实现方便的显示、记录、处理和控制．
(3)应用实例
半导体热敏电阻：具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．常用于温度传感器．
干簧管：感知磁场的敏感元件，常用于磁场控制的开关．
二、温度传感器和光传感器
1．温度传感器
(1)概念：温度传感器是把温度转换为电信号的传感器．
(2)几种常用的温度传感器：
①热双金属片温度传感器
a．敏感元件：两种热膨胀系数相差较大的金属片焊接或轧制成的热双金属片．
b．工作原理：温度升高时，由于两面金属膨胀程度不同，双金属片就会变形．因此热双金属片可作为温度的敏感元件．
利用了热双金属片对温度的感知表现为形变的特性．
②热电阻传感器
a．敏感元件：用金属丝制作的感温电阻(又叫热电阻)．
b．热电阻阻值与温度t的关系
R＝R0(1＋θt)．
(R0为t＝0 ℃时导体的电阻，θ为温度系数)
③热敏电阻传感器
a．敏感元件：半导体热敏电阻．
b．热敏电阻的分类：
一种是随温度升高而电阻减小的热敏电阻，用NTC符号表示；另一类随温度升高而电阻增大的热敏电阻，用PTC符号表示．
c．特点及用途：
热敏电阻对温度变化的响应很敏感，常用于测温、温度控制或过热保护．
2．光传感器
(1)概念
光传感器是利用光敏电阻把光强这个光学量转换为电阻这个电学量，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小．
(2)应用：火灾报警器、光电式转速器等都是利用了光电传感器来工作的．
(3)两种实用的光传感器
①光电式烟尘浓度计，靠监测烟尘浓度来工作．
②光电式转速表
光源发出的光经透镜会聚成平行光束照到被测旋转物体上，被反光纸反射回来，再经透镜聚焦落到光敏二极管上，产生与转速对应的电脉冲信号，经信号处理电路处理后，显示出转速．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)传感器就是指敏感元件． (×)
(2)传感器能把电信号转换成非电信号． (×)
(3)家庭用的电视机遥控器属于红外线遥控． (√)
(4)有光照射时，光敏电阻的阻值变大． (×)
(5)热敏电阻在温度升高时阻值变小． (×)
(6)金属热电阻在温度升高时阻值变小． (×)
2．当你走近某些宾馆、酒店的大门时，门就会自动为你打开；当你走进门之后，门又在你身后自动关上．你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息 ( )
A．温度 B．运动
C．人 D．红外线
D [自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用．自动门实际使用的是红外线传感器，红外线不属于可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门．故选项D正确．]
3．(多选)如图所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是( )
A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
BD [由题图可知，图线1是金属热电阻的R-T图线，图线2是热敏电阻的R-T图线，根据它们的材料性质和图像特点可知，选项B、D正确．]
对传感器的理解
1.传感器的结构框图
2．传感器的分类
物理型传感器
化学型传感器
生物型传感器
敏感元件
被测物理量变化时，敏感元件的电学量(如电阻、电压、电容等)会发生明显变化
敏感元件能把化学物质的成分、浓度等化学量转换为电学量
工作原理
利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出相关的信息
利用化学反应识别和检测信息
利用生物组织的各种生物、化学与物理效应识别和检测信息
实例
如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等
如气敏传感器、湿敏传感器等
如免疫传感器、抗原抗体传感器、酶传感器等
【例1】 如图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．若将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？
思路点拨：①由题图确定R′和R是串联，油量的变化会改变R的值．②当油箱中油量减少时，浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，R的值变大．③串联电路中，电阻起分压作用．
解析：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．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
训练角度1：传感器的工作原理
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
C [传感器工作的一般流程为：非电学量(被测量),敏感元件(感知，然后通过),转换元件(转换成电信号，再通过),转换电路(将此信号转换成易于传输或测量的),电学量，因此A、B、D错，C对．]
训练角度2：传感器的应用
2.(多选)如图所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化．关于干簧管，下列说法正确的是 ( )
A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．干簧管接入电路中相当于开关的作用
D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
CD [干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作为开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的．]
对温度传感器、光传感器的理解及应用
1.光传感器和温度传感器
传感器
光传感器
温度传感器
定义
能够感受光信号，并按一定规律转换成电信号的装置
将温度变化转换为电学量变化的装置
类型
主要有光敏电阻、光敏晶体管、光电池等
主要有热敏电阻、热电偶等
两种电阻
光敏电阻由半导体材料制成，光越强，电阻越小
热敏电阻由半导体材料制成，NTC随温度升高，电阻减小；PTC随温度升高，电阻增大
原理
电学性质随光照变化而变化
电学性质随温度变化而变化
2.光敏电阻特性成因分析
当光敏电阻受到光照射时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性明显地增强，电阻减小．
3．热敏电阻的种类及特性曲线
常见的有两种类型，图中甲为PTC型，乙为NTC型．PTC型为正温度系数热敏电阻，NTC型为负温度系数热敏电阻．
【例2】 如图所示，将一个光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射电阻时，表针自左向右偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右偏角为θ′，则可判断( )
A．θ′＝θ B．θ′<θ
C．θ′>θ D．不能确定
B [光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，指针自左向右的偏转角度变小，故B正确．]
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤
(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度变化(或光线强弱)是增大还是减小．
(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减．
(3)分析部分电路的电压、电流如何变化．
训练角度1：含光敏电阻电路的分析
3.(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时( )
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 [当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；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，则小灯泡的功率增大，C正确．]
训练角度2：含热敏电阻电路的分析
4.半导体的电阻率随温度的升高而减小，经常利用半导体的这一特性来制作传感器，如图所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器．值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器．当传感器R3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变小 D．I变小，U变大
C [当出现火情时，热敏电阻R3的阻值减小，则外电路总电阻减小；由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大；由U＝E－Ir可知，路端电压减小，则图中报警器两端的电压U将减小；因总电流增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R2中的电流I减小，故选项C正确．]
[课堂小结]
核 心 归 纳
知 识 脉 络
1.1个概念——传感器
2．1个原理——传感器的工作原理
3．1个特性——敏感元件的特性
4．多种应用——传感器的多种应用
1．下列关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的说法中，正确的是( )
A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域
B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不是输出电学量
C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作
D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求
D [不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B错；物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错；生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，故C错，D对．]
2．如图所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光．当用酒精灯加热电阻丝时，则关于小灯泡亮度变化以及发生这一现象的主要原因，正确的是( )
A．小灯泡变亮，小灯泡的电阻发生了变化
B．小灯泡变亮，小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C．小灯泡变暗，电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D．小灯泡变暗，电源的电压随温度发生了变化
C [用酒精灯加热电阻丝时，电阻丝的电阻率随温度升高而增大，电阻增大，电流减小，灯泡变暗．]
3．光敏电阻能将光信号转化为电信号，原因是( )
A．光照强度发生变化时，光敏电阻的阻值也发生变化
B．光照强度发生变化时，光敏电阻的体积也发生变化
C．光照强度发生变化时，光敏电阻的长度也发生变化
D．光照强度发生变化时，光敏电阻的横截面积也发生变化
A [光敏电阻的特性是光照强度变化时，电阻率发生明显变化，而长度、体积、横截面积不发生变化，故光敏电阻阻值大小会发生变化，A正确．]
4．用图甲所示电路测量电流表的内阻，闭合开关S，当变阻器的滑片滑至c处时，电流表和电压表的读数分别为40 mA、9 V，已知图甲中热敏电阻的I-U关系图线如图乙所示，则电流表的内阻为( )
甲 乙
A．0.14 Ω B．85 Ω C．140 Ω D．225 Ω
B [当电流表读数为40 mA时，说明热敏电阻的电流为40 mA，由题图知热敏电阻两端电压UR＝5.6 V，则电流表两端电压U＝9 V－5.6 V＝3.4 V，由欧姆定律得RmA＝＝ Ω＝85 Ω，B正确．]
课件50张PPT。第三章 传感器1．传感器
2．温度传感器和光传感器2345控制开关电磁效应化学反应分子非电学量6磁场灵敏变化磁场7热膨胀系数温度8感温不同热双金属片形变R0(1＋θt) 9半导体减小增大很敏感测温控制过热保护10火灾报警器光强电阻减小11电脉冲烟尘浓度透镜反光纸透镜光敏二极管12××√×××131415161718 对传感器的理解19202122232425262728 对温度传感器、光传感器的理解及应用293031323334353637383940414243444546474849点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十四)
(时间：40分钟 分值：100分)
[基础达标练]
一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)
1．下列应用了温度传感器的是 ( )
A．商场里的自动玻璃门
B．夜间自动打开的路灯
C．自动恒温冰箱
D．楼梯口在夜间有声音时就亮的灯
C [商场里的自动玻璃门是应用了红外线传感器，A错误；夜间自动打开的路灯是利用了光传感器，B错误；自动恒温冰箱是利用了温度传感器，C正确；夜间有声音时就亮的楼梯灯是利用了声音传感器，D错误．]
2．(多选)美国科学家Willard S．Boyle与George E．Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖．CCD是将光学量转变成电学量的传感器．下列器件可作为传感器的有( )
A．发光二极管 B．热敏电阻
C．霍尔元件 D．干电池
BC [发光二极管有单向导电性，A错；热敏电阻和霍尔元件都可作为传感器，B、C对；干电池是电源，D错．]
3．(多选)如图所示的电容式话筒就是一种电容式传感器，其原理是：导电性振动膜片与固定电极构成了一个电容器，当振动膜片在声压的作用下振动时，两个电极之间的电容发生变化，电路中电流随之变化，这样声信号就变成了电信号．则当振动膜片向右振动时( )
A．电容器电容值增大
B．电容器所带电荷量减小
C．电容器两极板间的场强增大
D．电阻R上电流方向自左向右
AC [当振动膜片向右振动时，两极板间的距离d减小，由电容公式C＝知，C增大，由E＝知，E增大，A、C正确；由Q＝CU知，电容器所带电荷量Q增大，电容器充电，电阻R上电流方向自右向左，B、D错误．]
4.(多选)如图所示的电路中，电源电动势为E，内阻为r，Rt为负温度系数热敏电阻，R为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境条件改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，则引起小灯泡变暗的原因可能是( )
A．温度不变，光照增强 B．温度升高，光照不变
C．温度降低，光照增强 D．温度升高，光照减弱
AC [由题图可知，当光敏电阻阻值减小或热敏电阻阻值增大时，小灯泡L都会变暗，结合光敏电阻特性可知，A正确，B错误；若光敏电阻阻值减小的同时，热敏电阻的阻值增大，小灯泡L变暗，C正确；若热敏电阻减小，光敏电阻增大，则小灯泡变亮，D错误．]
5．(多选)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息．光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是( )
A．当有光照射R1时，处理系统获得低电压
B．当有光照射R1时，处理系统获得高电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
BD [当光敏电阻有光照射时，电阻减小，故当有光照射R1时，R1减小，则电阻R2上的电压变大，故处理系统获得高电压，选项B正确，A错误；信号处理系统每获得一次高电压就计数一次，故C错误，D正确．]
6.(多选)如图为电阻R随温度T变化的图线．下列说法中正确的是( )
A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
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
BD [金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错，B对；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错，D对．]
二、非选择题(14分)
7．一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝的电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3，被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点，PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示，根据图线分析：
(1)为什么处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？
(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在______解析：(1)由于冷态时PTC材料电阻较小，故由P＝知，其发热功率较大，所以升温快．
(2)从图上看出，温度较低时，电阻较小，热功率较大，所以生热快于散热，温度升高，电阻值迅速增大，相应生热功率减小，当生热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，生热功率会相应增大，故当生热功率等于散热功率时，温度会稳定在图中T6～T7之间．
答案：(1)见解析 (2)T6 T7
[能力提升练]
一、选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)
1．如图所示，甲、乙是两类热敏电阻的R-t特征图线，如果想用热敏电阻作传感器，并与继电器相连，构成一个简单的自动报警线路，当温度过高时，由继电器接通电路报警．则( )
甲 乙
A．采用图甲类热敏电阻较好
B．采用图乙类热敏电阻较好
C．采用图甲和图乙效果一样好
D．以上说法均不正确
A [由图中可以看出当温度较高时，甲类热电阻变化较快，使流过继电器的电流迅速增大，致使继电器工作．所以采用甲类热敏电阻较好，所以A正确．]
2．如图甲所示是一火警报警装置的一部分电路，其中R2是半导体热敏电阻(传感器)，它的电阻R随温度t变化关系如图乙所示，该电路的输出端a、b接报警器，当传感器所在处出现火情时，通过电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比( )
甲 乙
A．I变大，U变大 B．I变小，U变小
C．I变小，U变大 D．I变大，U变小
D [当传感器所在处出现火情时，温度升高，即R2的阻值减小，故外电阻减小，干路电流增大，内电压、R4两端的电压均增大，故a、b两端电压减小；并联电路的电压减小，通过R3的电流减小，而总电流增大，所以R2上通过的电流增大，故D选项正确．]
3.如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED的距离不变，下列说法正确的是 ( )
A．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率增大
B．当滑片P向左移动时，灯泡消耗的功率减小
C．当滑片P向右移动时，灯泡消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑片P，灯泡消耗的功率都不变
A [当滑片P向左移动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过发光二极管的电流增大，发光二极管发出的光增强，光敏电阻的阻值减小，流过灯泡的电流增大，灯泡消耗的功率增大，选项A正确，B错误；当滑片P向右移动时，发光二极管所在支路的电阻增大，电流减小，发光二极管发出的光减弱，光敏电阻的阻值增大，流过灯泡的电流减小，灯泡消耗的功率减小，选项C、D错误．]
4.(多选)如图所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图所示方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点，则 ( )
A．电势φa>φb
B．电势φb>φa
C．电流增大时，|φa－φb|增大
D．其他条件不变，将铜板改为NaCl溶液时，电势结果仍然一样
AC [铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用而向b侧偏转，所以φa>φb，A对，B错；因|φa－φb|＝k，所以电流增大时，|φa－φb|增大，C对；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向b侧偏转，|φa－φb|＝0，即不产生霍尔效应，故D选项错误．]
二、非选择题(本题共2小题，共26分)
5．(13分)某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性．现用直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线连成如图所示的实物图．
(1)实验的主要步骤：
①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；
②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________，________，断开开关．
③重复第②步操作若干次，测得多组数据．
(2)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得如图所示的R-t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R-t关系式：R＝________＋________t (Ω)(保留3位有效数字)．
解析：(1)因本实验是探究热敏电阻的阻值随温度变化的特性，所以实验需要测出热敏电阻的阻值及相应的温度，热敏电阻的阻值用R＝间接测量，故需要记录的数据是温度计的示数和电压表的示数．
(2)设热敏电阻R＝R0＋kt，k＝＝0.400.由图乙知，温度为10 ℃时，热敏电阻R＝104 Ω，则R0＝R－kt＝(104－0.400×10) Ω＝100 Ω，所以R＝100＋0.400t (Ω)．
答案：(1)记录温度计的示数 记录电压表的示数
(2)100 0.400
6．(13分)在开展研究性学习的过程中，某同学设计了一个利用线圈测量转轮转速的装置，如图所示，在轮子的边缘贴上一个小磁体，将小线圈靠近轮边放置，接上数据采集器和电脑(即DIS实验器材)．如果小线圈的面积为S，匝数为N，小磁体附近的磁感应强度的最大值为B，小线圈所在回路的总电阻为R，实验发现，轮子转过θ角，小线圈的磁通量由最大值变为零．因此，他认为只要测得此过程感应电流的平均值I，就可以测出转轮转速的大小．请你运用所学的知识，通过计算对该同学的结论进行评价．
解析：该同学的结论正确．
设转轮的角速度和转速分别为ω、n，轮子转过θ角所需时间为Δt，通过线圈的磁通量的变化量为ΔΦ，线圈中产生的感应电动势的平均值为E.根据法拉第电磁感应定律有E＝N＝N，由闭合电路欧姆定律得感应电流的平均值I＝
又Δt＝，n＝
联立以上各式可得n＝，由此可见，该同学的结论是正确的．
答案：见解析
