-新教材高中物理第五章传感器12认识传感器常见传感器的工作原理及应用学案新人教版选择性必修第二册

PAGEPAGE13认识传感器常见传感器的工作原理及应用1．知道什么是传感器，并了解传感器的种类。2．知道传感器的组成及应用模式，理解将非电学量转化为电学量的物理意义。3．理解常见传感器敏感元件的特性及应用。知识点一认识传感器[情境导学]干簧管的结构很简单，如图甲所示，它只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当磁体靠近干簧管时：(1)会发生什么现象，为什么？(2)干簧管的作用是什么？提示：(1)小灯泡会发光，因为两个簧片被磁化而接通。(2)干簧管起到了开关的作用。[知识梳理]1．神奇的传感器(1)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。(2)楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光探”开关。(3)一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安装了红外线传感器。(4)交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上面安装了乙醇传感器。(5)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的装置。(6)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。2．传感器的种类(1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传感器、磁传感器、声传感器等。(2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。(3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。3．传感器的组成与应用模式(1)传感器的基本组成部分①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。②转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。(2)传感器应用的一般模式[初试小题]1．判断正误。(1)传感器的基本部分一般由敏感元件和转换元件组成。(√)(2)传感器是用来采集信息的装置。(√)(3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(×)(4)“便携式酒精检测仪”是属于化学传感器。(√)2．[多选]如图所示，干簧管放在磁场中时两个簧片能被磁化。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D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的解析：选CD当干簧管周围存在磁场时，两个簧片被磁化，就会相互吸引，所以接入电路中是作开关来使用，作为电控元件以实现自动控制的，故C、D正确。知识点二常见传感器的工作原理及应用[情境导学]电子秤中的力传感器由金属梁和电阻应变片组成，其结构如图所示。在应用电子秤测力时：(1)金属梁的上下表面的应变片是怎样形变的？(2)上下表面的应变片的电阻是怎样变化的？提示：(1)上表面拉伸，下表面压缩。(2)根据电阻定律可知，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。[知识梳理]1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻越小。(2)原因：光敏电阻的构成物质硫化镉为半导体材料，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。2．金属热电阻金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。3．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常明显，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。4．电阻应变片(1)定义：其电阻随着它所受机械形变的变化而变化的力敏元件。(2)分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。(3)力传感器：由金属梁和电阻应变片组成，是电子秤中所使用的测力器件。(4)电容式传感器：通过测定电容器的电容来确定极板的正对面积、极板间的距离以及极板间的电介质中某个物理量变化的传感器。[初试小题]1．判断正误。(1)光敏电阻随着光照的增强，导电性变好。(√)(2)热敏电阻能够把热学量转换为电学量。(√)(3)金属热电阻和热敏电阻在温度升高时电阻值都变大。(×)(4)电子秤中应变片的电阻随形变大小而变化。(√)2．全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该装置采用的可能是下列哪种类型的传感器()A．压力传感器 B．红外线传感器C．温度传感器 D．生物传感器解析：选A洗衣机设有多段式水位自动感应装置，是通过不同量的水所产生的压力转换成电学量，运用的是压力传感器。故A正确，B、C、D错误。传感器的理解[问题探究]智能机器人能够具有类似人的感官功能，获取外界信息并灵活做各种动作，其中传感器起了重要作用。你知道智能机器人都用什么传感器代替人的感官吗？提示：眼睛→光传感器耳朵→声音传感器鼻子→气味传感器舌头→味觉传感器皮肤→压力、温度、湿度传感器。[要点归纳]1．传感器的组成和工作流程(1)传感器的组成：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：传感器中能将敏感元件输出且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：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、电阻等。(2)传感器的工作流程：eq\x(\a\al(非电,学量))→eq\x(\a\al(敏感,元件))→eq\x(\a\al(转换,元件))→eq\x(\a\al(转换,电路))→eq\x(电学量)2．传感器的原理传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。[例题1]全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，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。该同学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，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)。[解析]由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间，当油量减少时，浮标下移，右端接入滑动变阻器的电阻变大，电压表示数将增大。[答案]b、c增大传感器问题的分析思路(1)明确传感器的类型，了解传感器的工作原理。(2)确定传感器中的什么量变化时可以引起电学量的变化。(3)根据电学量的变化确定相关物理量的变化。[针对训练]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大多数传感器是由半导体材料做成的，某些金属也可以做传感器，如金属热电阻。传感器将非电学信号转换为电学信号，因此传感器感知的是非电学信号。故只有B正确。2．当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，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．光线解析：选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，红外线属于不可见光，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D正确。3．[多选]美国科学家WillardS．Boyle与GeorgeE．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。光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件[问题探究]如图甲所示，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。光敏电阻自动计数器的示意图如图乙所示，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什么？提示：当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次。[要点归纳]1．光敏电阻、金属热电阻和热敏电阻对比分析特性原因光敏电阻光照越强，电阻越小光照增强，载流子增多，电阻减小金属热电阻温度越高，电阻越大温度升高，金属电阻率增大，电阻增大热敏电阻负温度系数的热敏电阻温度越高，电阻越小温度升高，载流子增多，电阻减小正温度系数的热敏电阻温度越高，电阻越大温度升高，载流子减少，电阻增大2．霍尔元件及工作原理(1)霍尔元件如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件。(2)工作原理外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力的作用，从而在导体板的一侧聚集，以致在导体板的另一侧会出现另一种电荷，从而形成电场；横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左、右两侧会形成稳定的电压，设导体板左、右两侧的距离为l，导体板的厚度为d，则qeq\f(UH,l)＝qvB。根据电流的微观解释I＝nqSv得，UH＝eq\f(IB,nqd)。令k＝eq\f(1,nq)，因n为单位体积内带电粒子的个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以UH＝keq\f(IB,d)。UH与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。[例题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＝9．0V，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所示，闭合开关，当R的温度等于120℃时，电流表示数I1＝3mA，求：(1)电流表G的内阻Rg。(2)当电流表的示数I2＝1．8mA时，热敏电阻R的温度。[解析](1)由题图乙知热敏电阻R的温度在120℃时，电阻为2kΩ，闭合电路的电流为I1＝3mA根据闭合电路的欧姆定律得：Rg＝eq\f(E,I1)－R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,3×10－3)－2×103))Ω＝1000Ω。(2)当电流表的示数I2＝1．8mA时R＝eq\f(E,I2)－Rg＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,1.8×10－3)－1×103))Ω＝4000Ω由题图乙可知当热敏电阻R阻值为4000Ω时，热敏电阻的温度为20℃。[答案](1)1000Ω(2)20℃含有热敏电阻的电路的动态分析顺序[针对训练]1．[多选]有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是()A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻解析：选AC热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误。2．[多选]如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则()A．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压升高B．当有人通过而遮住光线时，A、B之间电压降低C．当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压D．当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压解析：选BCR1是光敏电阻，当有人通过而遮住光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U＝IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路的欧姆定律得U＝E－I(R1＋r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，可得A、B间的电压U增大，故C项正确；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。3．[多选]如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流I由正电荷的定向运动形成。下列说法正确的是()A．M点电势比N点电势高B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量D．若保持电流I恒定，则霍尔电压UH与B成正比解析：选BCD当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集，M极感应出等量的负电荷，所以M点电势比N点电势低，选项A错误；根据霍尔元件的特点可知，选项B、C正确；因霍尔电压UH＝keq\f(IB,d)，保持电流I恒定时，霍尔电压UH与B成正比，选项D正确。电容式传感器及其应用[问题探究]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，当振动膜片在声音的作用下振动时，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，则当振动膜片向左振动时，电容器所带电荷量怎样变化？提示：振动膜片向左振动时电容器两极板的距离变大，由C＝eq\f(εrS,4πkd)知C减小，由Q＝CU知，在U不变时Q减小。[要点归纳]常见电容式传感器名称传感器原理测定角度θ的电容式传感器当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况测定液面高度h的电容式传感器在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况测定压力F的电容式传感器待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况测定位移x的电容式传感器随着电介质板进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况[例题3]如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)()A．向右偏到某一刻度后回到零刻度B．向左偏到某一刻度后回到零刻度C．向右偏到某一刻度后不动D．向左偏到某一刻度后不动[解析]压力F作用时，极板间距d变小，由C＝eq\f(εrS,4πkd)，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中通过由正接线柱流入的电流，所以灵敏电流表指针将右偏。F不变，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。故A正确。[答案]A电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。[针对训练]1．某电容式话筒的原理示意图如图所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板。对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动。在P、Q间距增大的过程中()A．P、Q构成的电容器的电容增大B．P上电荷量保持不变C．M点的电势比N点的低D．M点的电势比N点的高解析：选D由C＝eq\f(εrS,4πkd)可知P、Q间距离d增大时，电容C减小，A项错误。电源电压不变，电容减小，由C＝eq\f(Q,U)可知，电容器将放电，电荷量减少，故B项错误。放电时电流从M点经R到N点，则M点电势高于N点电势，所以C项错误，D项正确。2．如图所示的电路可将声音信号转化为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接。若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则()A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变B．a振动过程中，a、b板所带电荷量不变C．a振动过程中，灵敏电流表中始终有方向不变的电流D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大解析：选D由于平行板电容器两极板与电源两极相连接，因此两极板间的电压U保持不变，根据E＝eq\f(U,d)，C＝eq\f(εrS,4πkd)可判断A错误，D正确。再由Q＝CU可知，B错误。由于Q变化，电容器出现充电、放电现象，显然电流表中电流方向不断变化，C错误。3．[多选]如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体是导体，手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容)，电流由四边电极流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。由以上信息可知()A．电容式触摸屏的两极板分别是导体层和手指B．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越大C．当用手触摸屏幕时，手指与屏的接触面积越大，电容越小D．如果用戴了较厚手套的手触摸屏幕，照样能引起触摸屏动作解析：选AB电容式触摸屏在原理上是把人体当作电容器的一个极板，把导体层当作另一个极板，故A正确；手指与屏的接触面积越大，两个极板的正对面积越大，电容越大，故B正确，C错误；如果戴了较厚手套或手持不导电的物体触摸屏幕时没有反应，这是因为手与导体层距离较大，不能引起导体层电场的变化，D错误。1．许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的灯到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器。下列有关该传感器的说法正确的是()A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移解析：选C楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮，和光传感器有关；晚上有人经过时，灯自动亮起来，与声音有关，是声传感器。所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C正确。2．许多牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺。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()