2019~2020学年高中物理第3章传感器第1节认识传感器第2节传感器的原理学案粤教版

第一节 认识传感器 第二节 传感器的原理
[学习目标]　1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术意义．(重点)2.了解传感器的基本结构及各部分的作用.3.知道光敏电阻、热敏电阻的工作原理，感悟基础知识学习和应用的重要性．(重点)4.通过实验观察和分析，了解传感器的工作原理．(难点)


一、传感器及其分类
1．定义：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成电信号的器件或装置．
2．传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成．
(1)敏感元件：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：是传感器中能将敏感元件输出的、与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件．
(3)转换电路：是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、频率等．
3．传感器的分类
(1)按被测量分类：加速度传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等．
(2)按工作原理分类：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)按能量传递方式分类：有源传感器和无源传感器．
二、传感器的原理
1．温度传感器的原理
(1)温度传感器：将温度变化转换为电学量变化的装置，它通过测量传感器元件的电学量随温度变化来实现对温度的测量．
(2)热敏电阻：利用半导体材料的阻值随温度变化而变化的特性实现温度测量的，其电阻大小与温度高低有关，温度变化，电阻有明显变化．
2．光电传感器的原理
(1)光电传感器：将光学量变化转化为电学量变化的装置．
(2)应用：路灯光电自动开关电路和红外楼道照明开关电路．
(3)光敏电阻：光电传感器的敏感元件，其阻值随光照的增强而减小．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)传感器是一种联络传递感性的设备．(×)
(2)传感器是一种感知、探测物理量的工具．(×)
(3)传感器是将被测量的非电学量转换成电学量的器件或装置．(√)
(4)光敏电阻受到的光照越强，电阻越小．(√)
(5)热敏电阻一定是随温度的升高，其阻值增大．(×)
2．关于传感器，下列说法不正确的是(　　)
A．传感器通常是将非电学量转化为电学量的装置
B．压力传感器是将力学量转化为电学量的装置
C．所有传感器都是由半导体材料制成的
D．传感器广泛应用于信息采集系统
C　[传感器通常是通过非电学量转换成电学量来传递信息的，A正确；压力传感器是将力学量转化为电学量的装置，B正确；用来制作传感器的材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，传感器广泛应用于信息采集系统，故C错误，D正确．]
3．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　[传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量的元件．发光二极管是将电能转化为光能的元件，不是传感器，选项A错误；热敏电阻的温度变化时，其电阻会发生变化，能把热学量转换成电学量，可作为传感器，选项B正确；霍尔元件能够把磁感应强度这个非电学量转换成电压这个电学量，可作为传感器，选项C正确；干电池是一种电源，不是传感器，选项D错误．]

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传感器的应用及其工作原理的理解1.传感器的工作流程
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2．几种常用传感器对比
传感器 名称 输入(感受)的物理量或化学量 输出的 物理量 可能的工 作原理
气体压强 传感器　 压强 电压(电流) 力电转换
硅光电池 光 电压 光电效应
光电二极管 光 电压 光电效应
湿敏电阻 湿度 电压(电阻) 感湿材料受 湿电阻变化
话筒 声音 电流 电磁感应
加速度 传感器 加速度 电压 电磁感应
【例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敏感元件转换元件转换电路电学量，因此A、B、D错，C对．]

(1)不同的传感器的工作原理不同，但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化．
(2)传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等，不一定是电压．
(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分，并不一定就是一个完整的传感器．

训练角度1　传感器的认识
1．(多选)关于传感器的作用，下列说法正确的是(　　)
A．通常的传感器可以直接用来进行自动控制
B．传感器可以用来采集信息
C．传感器可以将感受到的一些信息转换为电学量
D．传感器可以将所有感受到的信息都转换为电学量
BC　[传感器的作用主要是用来采集信息并将采集到的信息转换成便于测量的量；但并不是将其感受到的所有信息都转换为电学量．故B、C正确．]
训练角度2　非电学量与电学量的转换
2．已知磁敏电阻在没有磁场时电阻很小，有磁场时电阻变大，并且磁场越强阻值越大．为探测磁场的有无，利用磁敏电阻作为传感器设计了如图所示的电路，电源的电动势E和内阻r不变，在没有磁场时调节变阻器R使电灯L正常发光，若探测装置从无磁场区进入强磁场区．则(　　)
A．电灯L变暗　　　 B．电灯L亮度不变
C．电流表的示数增大 D．电流表的示数减小
D　[探测装置从无磁场区进入强磁场区，磁敏电阻阻值变大，则闭合电路的总电阻R总变大，由闭合电路欧姆定律知，电路中的电流I＝减小，电流表的示数减小，故选项C错误，D正确；由U灯＝E－Ir可知U灯变大，电灯L变亮，故选项A、B错误．]
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对光敏电阻、热敏电阻的理解

1.光电传感器——光敏电阻
光敏电阻一般为半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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，于是导电性能明显增强．
光敏电阻把光照的强弱转换为电阻大小．
2．温度传感器——热敏电阻和金属热电阻
(1)热敏电阻
指用半导体材料制成，其电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图所示为某热敏电阻的电阻——温度特性曲线．
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，正温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻增大；负温度系数的热敏电阻随温度升高，电阻减小．
(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，称为金属热电阻．
热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好．
【例2】　温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中，它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的．如图甲中，电源的电动势E＝9.0 V，内电阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度的变化关系如图乙的R?t图线所示，闭合开关，当R的温度等于120 ℃时，电流表示数I1＝3 mA，求：

甲　　　　　　　　　乙
(1)电流表G的内阻Rg；
(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时，热敏电阻R的温度．
[解析]　(1)由图乙知热敏电阻R的温度在120 ℃时，电阻为2 kΩ，闭合电路的电流为I1＝3 mA
根据闭合电路欧姆定律得：
Rg＝－R＝Ω＝1 000 Ω.
(2)当电流表的示数I2＝1.8 mA时
R＝－Rg＝ Ω＝4 000 Ω
由图乙可知当热敏电阻R阻值为4 000 Ω时的温度为20 ℃.
[答案]　(1)1 000 Ω　(2)20 ℃

电路中涉及热敏电阻、光敏电阻或金属热电阻时，熟记各种电阻阻值随温度变化的特点，然后依据动态电路问题的分析思路，由部分到整体再到部分进行分析．

训练角度1　含光敏电阻的电路分析
3．(多选)如图所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻(光照时电阻会变小)，下列说法中正确的是 (　　)

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
AD　[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．]
训练角度2　热敏电阻与金属热电阻的比较
4．如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计) (　　)

A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显
B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显
C．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化非常明显
D．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化不明显
C　[金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且灵敏度高，故选项C正确．]
训练角度3　霍尔元件问题
5．一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q＝1.6×10－19 C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等．在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽AB＝1.0×10－2 m、长BC＝4.0×10－2 m、厚h＝1×10－3 m，水平放置在竖直方向上的磁感应强度B＝1.5 T的匀强磁场中，BC方向通有I＝3.0 A的电流，如图所示，沿宽度产生1.0×10－5 V的横向电压．

(1)假定载流子是电子，A、B两端中哪端电势较高？
(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？
[解析]　(1)根据左手定则可确定A端电势高．
(2)当霍尔元件内由于载流子有沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，霍尔元件横向电压稳定．设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速率为v，横向电压为UAB，横向电场强度为E，电场力为Fe＝E·e＝·e
洛伦兹力FB＝evB
平衡时·e＝evB
得v＝≈6.7×10－4 m/s.
[答案]　(1)A端　(2)6.7×10－4 m/s

课 堂 小 结 知 识 脉 络
1.传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．4．霍尔元件是一种能将磁感应强这一磁学量转换成电压这一电学量的传感器.

1．(多选)下列说法正确的是 (　　)
A．干簧管是一种由磁场控制的开关
B．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中只有声传感器
C．光敏电阻能够把光信号转换成电信号
D．负温度系数的热敏电阻在温度升高时电阻减小
ACD　[传感器是指将非电学量按照一定规律转换成电学量的元件，干簧管是在玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，当有磁场靠近时，两个簧片被磁化而接通，起到了开关的作用，故选项A正确；楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮说明了在它的控制电路中既有光传感器又有声传感器，故选项B错误；光敏电阻是用电阻率与光照强度有关的材料制成的，当其被光照射时，电阻将发生变化，故选项C正确；用半导体材料制作的热敏电阻，在温度升高时，导电能力增强，即电阻减小，故选项D正确．]
2．传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是 (　　)
A．生物传感器　　　　 B．红外传感器
C．温度传感器 D．压力传感器
C　[空调机根据温度调节工作状态，所以内部使用了温度传感器，故选C.]
3.如图所示，RT为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往RT上擦一些酒精，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(　　)
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
D　[往RT上擦酒精后，酒精蒸发吸热，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．当酒精蒸发完毕后，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．]





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