(共33张PPT)
第4章 传感器与现代社会
第4章 传感器与现代社会
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
要点探究讲练互动
突破疑难·讲练提升
P/(·cm)
10
10
CTC PTC
10
10
10
NTC
10
10
04080120160200t/℃
(共39张PPT)
220v
R1 R2
a电压S
鉴别器
电热丝
√00
R3 R
甲
R/(×10k_)
543
t/℃C
0102030405060
乙
传感器的原理 探究热敏电阻的温度特性曲线
1．知道什么是传感器；知道传感器的工作原理．(重点) 2．知道什么是光敏电阻和热敏电阻．
3．通过实验的方式获得对传感器的感性认识． 4．会探究热敏电阻的温度特性曲线．(重点＋难点)
一、什么是传感器
传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电学量转换成电学量的装置．它一般包括敏感元件和转换电路．
二、探究传感器的原理
1．研究光敏电阻的导电特性：光敏电阻是利用阻值随光照强度的变化而变化的材料制成的，一般具有这种特性的是半导体材料，有的半导体材料在光照的情况下会产生电压，可制成光电池．
光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小．
2．热敏电阻：由半导体材料制成，有两种热敏电阻，一种是负温度系数的，它的电阻随温度的升高而减小，像NTC热敏电阻；另一种是正温度系数的，它的电阻随温度的升高而增大，像PTC热敏电阻．
三、传感器的类型
传感器可分为物理型、化学型和生物型三类．
1．物理型传感器主要是根据被测物理量变化时，敏感元件的电学量(如电压、电阻、电容等)发生明显变化的特性制成的．
2．化学型传感器是用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换为电学量的敏感元件制成的．
3．生物型传感器是利用生物体组织的各种生物、化学与物理效应制成的，有酶传感器、免疫传感器、抗原体传感器等．
当你走近自动门时，为什么门会自动打开？电饭煲为什么能自动加热和保温食物而不把食物烧焦？为什么电梯的两门靠拢接触到人体时，门又会自动打开而不会伤人？
提示：以上现象都归功于“传感器”．
传感器的结构及其原理
1．传感器的概念：传感器是通过测量外界的物理量、化学量或生物量来捕捉和识别信息，并将被测量的非电学量转换成电学量的装置．
2．传感器的结构
3．传感器的基本原理
传感器感受的通常是非电学量，而它输出的通常是电学量，不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作．其工作过程可由图表示．
→→→→
↑ ↑
(1)非电学量：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等．
(2)敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能直接感受被测量的非电学量并将其转换成与被测量的非电学量有一定关系的易于测量的物理量．
(3)转换元件：通常不能直接感受被测量的非电学量，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．
(4)转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电学量．
(5)电学量：如电压、电流、电阻等．
(多选)随着科学技术的进步，社会的发展，人们研制了各种传感器，这使人们获取信息的领域更宽广、更深入，下列关于传感器的说法正确的是( )
A．传感器是一种联络、传递感情的设备
B．传感器是一种感知、探测物理量的工具
C．传感器测量的不一定是物理量，也可以是化学量或生物量
D．传感器是将被测量的非电学量转换成电学量
[思路点拨] 传感器是借助敏感元件将非电学量转化为电学量的装置．
[解析] 传感器是通过敏感元件将外界的物理量、化学量或生物量等非电学量转换成电学量的装置，所以它一般包括敏感元件(也就是探测器)和转换电路．
[答案] CD
eq \a\vs4\al()
传感器的本质
传感器是将所感受到的一种物理量转换成便于检测的另一种物理量的器件．
1．用遥控器调换电视机的频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程．下列属于这类传感器的是( )
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
解析：选A．红外线报警装置是感应红外线转换成电学量，从而引起报警．而遥控器调换电视机的频道的过程，也发出红外线，故A正确；走廊照明灯的声控开关，实际是将声波转化成电信号的过程，故B不正确；自动洗衣机中的压力传感装置，是将压力转化成电信号的过程，故C不正确；电饭煲中控制加热和保温的温控器，是将温度转化成电信号的过程，故D不正确．
研究光敏电阻的导电特性
1．实验设计
(1)实验器材：多用电表、光敏电阻、导线、黑纸、开关．
(2)实验步骤
①用多用电表欧姆挡两表笔与在室内自然光照射下的光敏电阻两端连接，测光敏电阻阻值，电路如图所示．
②把手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，测光敏电阻阻值．
③全部挡住光线，测光敏电阻阻值．
④将所测数据填入下表中．
光照强度 强 中 弱
R/Ω
2．实验结论：光敏电阻的阻值随照射光强度的增强而减小．
光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，原因是构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好，随光照的增强，载流子增多，导电性变好．光敏电阻是能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量的元件．
(多选)
如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当光照强度增大时( )
A．电压表的示数增大
B．R2中的电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路中的路端电压增大
[思路点拨]
→→→→
[解析] 当光强增大时，R3的阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，随之是干路电流增大，R1上的电压增大，所以V的示数增大；同时内电压增大，路端电压减小，所以有R2并联的整部分电压减小，使通过R2的电流减小，因此通过灯泡支路的电流是增大的，故有小灯泡变亮，即功率增大．选项A、B、C正确．
[答案] ABC
eq \a\vs4\al()
此类问题是借助敏感元件的特性考查电路的动态分析．做此类问题时，一定要看清是哪种敏感元件，明确敏感元件随非电学量的变化特性，这是解题的关键．
2．如图所示是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内照明灯的示意图，试说明其工作原理．
解析：天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通．
天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈F，电磁继电器工作，接通工作电路，使照明灯自动开启．
天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈F不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，照明灯熄灭．
答案：见解析
探究热敏电阻的温度特性曲线
1．实验设计
(1)用多用电表的欧姆挡直接测量热敏电阻随温度的变化特性，方法简便，误差大．
(2)伏安法测量热敏电阻的温度特性曲线．
2．采用伏安法测量
(1)器材：电压表、电流表、电源、滑动变阻器、固定电阻、热敏电阻、开关和导线若干；温度计、水槽、电加热装置和开水冷水各一份．
(2)原理：采用水浴法改变热敏电阻的温度(如图甲)用伏安法测量电阻(如图乙)
甲 乙
(3)测量步骤：将热敏电阻用塑料薄膜包裹一层，防止水浴时电阻的引线与水接触，连接好如图所示电路．
将水槽里的水兑成10 ℃，将热敏电阻放入水中，稍等片刻，闭合开关，读出电压表、电流表、温度计的示数．
将水温兑成20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃…90 ℃，各测量一次，计算出各温度下对应的电阻．
(4)设计表格，将上述方法取得的数据填入表格．
(5)数据处理，在坐标纸上做出R－t图像．
3．热敏电阻的R－t图像
热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：
(1)正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度升高而增大．
(2)负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度升高而减小．
(3)临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧下降．
这三类热敏材料电阻率的温度特性曲线如图所示．可见，PTC和CTC型热敏电阻在一定的温度范围内，阻值随温度急剧变化，常用作开关元件，NTC型热敏电阻的阻值随温度升高而减小．尤其要注意的是在温度测量中使用最多的就是NTC型热敏电阻，我们常说的热敏电阻也是指这一类．
要注意区别热敏电阻和金属热电阻，热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，温度升高电阻减小；而金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻．热敏电阻的灵敏性好，但化学稳定性较差；金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏性较差．
(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时( )
A．电容器C的带电量增大
B．电压表的读数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大
[解题探究] (1)环境温度降低时，热敏电阻的阻值如何变化？
(2)电容器两端的电压等于哪个元件两端的电压？
[解析] 当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．
[答案] AB
3．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
解析：选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电阻减小，且灵敏度高，故选项C正确．
[随堂检测]
1．(多选)关于传感器及其作用，下列说法中正确的是( )
A．传感器一般是把非电学量转换为电学量
B．传感器一定是把非电学量转换为电路的通断
C．传感器把非电学量转换为电学量是为了方便进行测量、传输、处理和控制
D．电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以利用电磁感应现象工作的动圈式话筒也是传感器
解析：选ACD．根据传感器的概念和工作原理可以判断A、C正确．B选项中不一定把非电学量转化为电路的通断，还有其他的表现形式，故B错误．动圈式话筒利用电磁感应将声音转化为电流，是传感器，D正确．
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
解析：选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．夜间，居民楼的楼道里只是偶尔有人经过，“长明灯”会造成浪费．科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”——天黑时自动闭合，天亮时自动断开；利用“声敏”材料制成“声控开关”——当有人走动发出声音时自动闭合，无人走动时自动断开．若将这两种开关配合使用，就可以使楼道里的灯变得“聪明”．这种“聪明”的电路是图中的( )
解析：选D．在白天，一般是不需要灯照明的；天黑以后，特别是夜深人静时，一般也是不需要灯照明的，也就是说天黑且人在楼道里走动时需要照明．对于选项A，“声控开关”闭合时，发生短路；对于选项B，不管是“光控开关”，还是“声控开关”各自闭合都能让灯发光，节能的目的达不到；对于选项C，“光控开关”闭合时，发生短路；对于选项D，“光控开关”与“声控开关”同时闭合时，灯才亮，所以达到了节能的目的．
4．如图是一个火警报警装置的逻辑电路图，RT是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R是一个阻值较小的分压电阻．
(1)要做到低温时电铃不响，火警时产生高温，电铃响起，在图中虚线处应接入怎样的元件？
(2)为什么高温时电铃会被接通？
(3)为了提高该电路的灵敏度，即报警温度调得稍低些，R的值应大一些还是小一些？
解析：(1)温度较低时RT的阻值很大，R比RT小得多，因此P、X之间电压较大．要求此时电铃不响，表明输出给电铃的电压应该较小，输入与输出相反，可见虚线处元件应是“非”门．
(2)高温时RT的阻值减小，P、X之间电压降低，输入低电压时，从“非”门输出的是高电压，电铃响起．
(3)由前面分析可知，若R较大，由于它的分压作用，RT两端的电压降低，则外界温度不太高时，就能使P、X之间电压降低到低电压输入，电铃就能发声，因此R较大时，反应较灵敏．
答案：见解析
5．如图甲为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab>0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在多少？
解析：设电路两端电压为U，当Uab＝0时，根据串联电路分压规律
有R1＝R3，
解得Rt＝20 kΩ，
由图乙可知，当Rt＝20 kΩ时，t＝35 ℃．
答案：35 ℃
[课时作业]
一、单项选择题
1．关于传感器的下列说法中正确的有( )
A．所有传感器都是由半导体材料做成的
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．以上说法都不正确
解析：选B．半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以选项A错误，B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感知力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化，所以选项C错误．
2．传感器根据检测量的不同，可以分为物理型、化学型和生物型三类．下列说法中正确的是( )
A．物理型传感器就是能把被测量量转换成物理量的传感器
B．化学型传感器就是能把被测量量转换成化学量的传感器
C．生物型传感器就是能把被测量量转换成生物量的传感器
D．能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成电学量的传感器是化学传感器
解析：选D．物理型、化学型和生物型传感器都是把被测量量转换成电流、电压、电容等电学量的传感器，它们的区别在于物理型传感器检测的是非电学的物理量，化学型传感器检测的是化学物质的成分、浓度等化学量，而生物型传感器则是利用生物机体组织的各种效应来制成的．
3．
如图所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ′，可判断( )
A．θ′＝θ B．θ′<θ
C．θ′>θ D．不能确定θ和θ′的关系
解析：选B．光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，开始时有光照射，光敏电阻的阻值较小，当用手掌挡住部分光线时，光敏电阻的阻值增大，因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧，所以欧姆表测电阻时，阻值越大，指针张角越小，所以选项B正确．
4．
如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同．如果发现指针正向右偏转，则导电液体深度h的变化为( )
A．正在增大 B．正在减小
C．不变 D．无法确定
解析：选B．由电源极性及电流方向可知，A、B构成的电容器上的电荷量减小，据C＝，电容C在减小，可推知正对面积S减小，即h在减小．故选B．
5．如图是一火警报警装置的一部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比( )
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
解析：选D．当R2随温度升高而减小时，电路的总电阻减小，总电流增大，电源两端的电压减小，R1两端的电压增大，R3两端的电压减小，R3的电流减小，R2的电流增大．故D正确．
6．
如图所示，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( )
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
解析：选C．R2与L并联后与R1串联，并与电源组成闭合回路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电阻增大，外电压增大，电流表示数减小，R1两端电压减小，L两端电压增大，亮度变强，答案为C．
二、多项选择题
7．有些热敏电阻的材料是正温度系数的，对此，下列理解正确的是( )
A．正温度系数的热敏材料只对0 ℃以上的温度敏感
B．正温度系数的热敏材料的电阻随着温度的上升而正比例增加
C．正温度系数的热敏材料的电阻随着温度的上升而增加
D．正温度系数的热敏材料的电阻也会随着温度的降低而减小
解析：选CD．正温度系数的热敏材料的电阻随着温度的上升而增加，而不一定是正比例增加，更不是只对0 ℃以上的温度敏感，其“正”字指其阻值与温度同方向变化，既然正温度系数的热敏材料的电阻能随着温度的上升而增加，也能随着温度的降低而减少．
8．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
解析：选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．
9．
有定值电阻、光敏电阻、热敏电阻三只元件．分别接入如图所示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置于热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是( )
A．置于热水中与不置于热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻
B．置于热水中与不置于热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
解析：选AC．热敏电阻的阻值随温度变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度变化，光敏电阻的阻值随光照条件变化．定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照条件变化．
10．如图所示是用光敏电阻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( )
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
解析：选AD．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．
三、非选择题
11．传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示，图乙是用热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器原理图．则
(1)为了使温度过高时报警器铃响，开关应接在______(填“a”或“b”)．
(2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________移动(填“左”或“右”)．
解析：温度较高时，热敏电阻阻值减小，图乙中通电螺线管的磁性增强，将与弹簧相连的金属导体向左吸引，要使报警器所在电路接通并报警的话，开关应接在a．要实现温度更高时，即热敏电阻更小时才将报警器电路接通的话，应该将滑动变阻器连入电路的阻值调大，即P向左移动．
答案：(1)a (2)左
12．如图所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I－U关系曲线．
(1)为了通过测量得到I－U关系的完整曲线，在甲和乙两个电路中应选择的是图________；简要说明理由：_____________________________(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)．
(2)在图丙电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω，由热敏电阻的I－U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值约为________Ω．
(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子：___________________________________．
解析：(1)由题给热敏电阻的I－U图线知I－U关系图线是连续曲线，且电压从零开始变化，所以电路应选择甲电路．
(2)根据电源电压可求出电阻R1的电流为36 mA，所以热敏电阻的电流为34 mA，由图可以读出热敏电阻两端的电压为5．2 V，因此R2两端的电压为3．8 V，即可求出R2电阻约为111．8 Ω．
答案：(1)甲 电压可从0 V调到所需电压，调节范围较大 (2)5．2 111．8
(3)热敏温度计(提出其他实例，只要合理均可)
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