第1节 常见传感器的工作原理

第5章

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传感器及其应用第1节常见传感器的工作原理核心素养点击

物理观念(1)感受传感器，知道传感器是把非电学量转换成电学量的器件或装置。(2)了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的物理特性和用途。科学思维(1)体会传感器将非电学量转化为电学量的物理意义。(2)通过对传感器原理和应用的了解，体会传感器在实际应用中的价值。科学探究探究传感器的工作原理及传感器在实际应用中的一般模式。科学态度与责任体会传感器在某些方面可以代替甚至超过人类对自然的感知，能够改变人类的生产生活方式。一、初识传感器1．填一填(1)定义

能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是

)的器件或装置。(2)作用

传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转化任务，把

量转化为

量。电信号非电学电学2．判一判(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。

()(2)传感器只能感受温度和光两个物理量。

()(3)传感器能够将非电学量转化为电学量，其核心部件是敏感元件。

(

)√√×敏感转换3．想一想

如图是交警正在用酒精检测仪测量司机呼出气体的酒精浓度。为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢？提示：电学量具有易测量，易控制，测量精度和速度较高，易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理，所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。二、敏感元件1．填一填(1)光敏元件——光敏电阻①特点光照越强，电阻

。②原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子

，导电性

。③作用把光照强弱这个光学量转换为

这个电学量。越小增多变好电阻减小增大电压霍尔磁场的磁感应强度电流的大小2．判一判(1)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。

()(2)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

(

)(3)霍尔元件工作时，产生的电压与外加的磁感应强度成正比。

()3．选一选有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是

(

)A．金属导体 B．光敏电阻C．热敏电阻

D．霍尔元件解析：金属导体电阻一般随温度升高而增大，光敏阻是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，霍尔元件随磁感应强度的增大其两端的电压增大，故C正确，A、B、D错误。答案：C

××√探究(一)

传感器的工作原理[问题驱动]CPU温度是由CPU内置的温度传感器侦测到温度之后传达给BIOS显示出来，由BIOS依据温度高低来决定散热风扇的转速。(1)CPU温度传感器的作用是什么？主要由什么元件组成？(2)CPU温度传感器的存在对电脑有什么意义？提示：(1)将非电学量温度转化为电学量输出给BIOS，主要由敏感元件和转换元件组成。(2)及时将CPU温度传递给电脑，防止因CPU温度过高而出现死机现象。

[重难释解]传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如图所示。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．红外线[解析]

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。[答案]

D[素养训练]1．在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是

(

)A．光传感器

B．温度传感器C．声传感器

D．压力传感器解析：在电梯门口放置一障碍物，电梯门不停地开关，说明电梯门上装有光传感器，故选项A正确。答案：A

2．(多选)关于传感器，下列说法正确的是

(

)A．麦克风工作时，将感受到的声音信号转化成电信号B．电子秤工作时，将感受到的压力信号转化为电信号C．烟雾传感器工作时，将感受到的烟雾浓度信号转化为电信号，实现自动报警D．声控灯工作时，将感受到的声音信号转化为电能给灯泡供电解析：传感器是一种信号转换器，通常将感受到的外界信息按照一定的规律转换成可用输出信号，麦克风工作时将声音信号转化为电信号，电子秤工作时将受到的物体的压力大小的信息转化为电信号，烟雾传感器工作时将感受到的环境中的烟雾浓度信号转化为电信号，实现自动报警，选项A、B、C正确；声控灯工作时利用声控开关控制电路的通断，将声音信号转化为电信号，并不是给灯泡供电，选项D错误。答案：ABC

探究(二)

敏感元件的特性和应用[问题驱动]家用汽车已经配备自动大灯，可以自动控制灯光的开启和关闭，比如你白天突然进入隧道或者清晨傍晚光线不好时，大灯自动打开照亮前路，使行车更安全。请问是如何实现的？提示：用光控开关控制大灯开启，光敏元件收集到光照强度较弱时，开关打开，大灯亮起。

[重难释解]1．光敏元件(1)特点：光敏电阻在被光照射时电阻发生变化。光照增强时，电阻减小；光照减弱时，电阻增大。(2)原因：制作光敏电阻的硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能较差；随着光照的增强，载流子增多，导电性能增强。(3)作用：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。2．热敏元件(1)热敏元件种类：①正温度系数热敏电阻；②负温度系数热敏电阻。(2)特点：①正温度系数热敏电阻：温度升高，电阻增加。②负温度系数热敏电阻：温度升高，电阻减小。(3)原理：①正温度系数：温度升高，载流子减少，电阻增加。②负温度系数：温度升高，载流子增多，电阻减小。(4)应用：电子温度计(正温度系数)；冰箱(负温度系数)。3．磁敏元件(1)磁敏元件名称：霍尔元件。(2)特点：在电流不变的情况下，霍尔电压与磁感应强度成正比。(3)原理：载流子在洛伦兹力的作用下，在与电流和磁场垂直方向聚集，形成霍尔电压。(4)应用：无刷电机，接近开关。如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器。当传感器R2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变小、U变小C．I变小、U变大

D．I变大、U变小[解题指导]

解答本题时可按以下思路分析：[解析]

当R2处出现火情时，热敏电阻的阻值将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知，路端电压将减小，电路中的总电流增大，所以R1两端的电压增大，由于路端电压减小，则并联部分的电压减小，通过R3的电流I变小，所以显示器的电流I变小，报警器两端的电压U变小，故B正确。[答案]

B含有热敏电阻的电路的动态分析顺序[素养训练]1．对于确定的一个霍尔元件，若保持通入的恒定电流不变，当磁感应强度增大时，霍尔电压UH应

(

)A．不变

B．减小C．增大

D．不确定答案：C2．

(多选)光敏电阻被光照射时电阻会变小。如图所示，电源电动势为E，内阻为r，在有光照射光敏电阻R1时，灯泡 L正常发光。当无光照射R1时，下列判断中正确的是

(

)A．通过光敏电阻R1的电流将变小B．光敏电阻R1两端的电压不变C．电源两端的电压变大D．灯泡消耗的功率变大解析：由题知光敏电阻被光照射时电阻会变小，当无光照射R1时电阻增大，根据闭合电路欧姆定律得知，通过光敏电阻R1的电流将变小，故A正确。光敏电阻R1两端的电压U1＝E－I(RL＋r)，I变小，U1增大，故B错误。由于电源两端的电压随外电阻的增大而增大，所以电源两端的电压变大，故C正确。灯泡的电阻不变，电流变小，其消耗的功率变小，故D错误。答案：AC

3．(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三个元件，将这三个元件分

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：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。答案：AC

一、培养创新意识和创新思维1．(多选)电容式加速度传感器的原理图如图所示，质量块左、右两侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，质量块可带动电介质移动，改变电容。则

(

)A．越多的电介质插入极板间，电容器电容越小B．当传感器以恒定加速度运动时，电路中有恒定电流C．若传感器原来向右匀速运动，突然减速时弹簧会压缩D．当传感器由静止突然向右加速时，电路中有顺时针方向的电流答案：CD

二、注重学以致用和思维建模2．某学习小组的同学在用“多用电表研究热敏电阻特性”的实验中，

安装好如图所示的装置。向杯内加入冷水，此时温度计的示数为

20℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值。然后向

杯内加入热水，当温度计的示数为60℃时，发现多用电表的指针

偏转角度较大，则下列说法正确的是

(

)A．多用电表应选用电流挡，温度升高时换用大量程测量B．多用电表应选用电流挡，温度升高时换用小量程测量C．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡测量D．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡测量解析：测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时，热敏电阻的阻值受温度变化的影响，多用电表的指针偏转角度增大，说明电阻的阻值变小，所以应换用倍率小的挡测量，