2021学年高中物理第三章传感器1传感器温度传感器和光传感器学案教科版选修3_2

1 传感器 温度传感器和光传感器
[学习目标定位] 1.知道传感器的定义，理解其工作原理.2.了解热敏电阻、敏感元件的特性.3.了解几种温度传感器及光传感器的原理．
1．用多用电表测电阻时，首先选择欧姆挡，然后进展欧姆调零，指针指在表盘的中值附近测得的阻值较准确． 2．电阻率ρ是反映材料导电性能好坏的物理量，电阻率越小，导电性能越好，定义式为
ρ＝RS l
. 3．平行板电容器的电容C ＝
εr S 4πkd .
一、传感器
1．定义：把被测的非电信息按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置． 2．构造：由敏感元件和处理电路组成．
二、敏感元件的原理
敏感元件就其感知外界信息的原理而言，可分为如下几类：
1．物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应．
2．化学类：基于化学反响的原理．
3．生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能．
三、温度传感器
1．热双金属片温度传感器：针对热双金属片对温度的感知表现为形变的特性，常常用在温度控制装置中．
2．热电阻传感器：电阻与温度关系为R ＝R 0(1＋θt )．
3．热敏电阻传感器：
(1)NTC 热敏电阻：温度升高，电阻减小．
(2)PTC 热敏电阻：温度升高，电阻增大．
四、光传感器
1．原理：有些金属或半导体材料在电路中受到光照时，产生电流或电压，实现光信号向电信号的转化．
2．应用：光电式烟尘浓度计、光电式转速表.
一、传感器
[问题设计]
在现代生活中，我们时刻能感受到自动控制带给我们的便利，如马路上的路灯夜晚发光白天自动熄灭；当你走近自动门时它会自动翻开，当你离开时它会自动关闭；电冰箱启动后，会自动控制压缩机工作，使冰箱内保持所设定的低温……，这其中的“机关〞是什么？ 答案 在这些电路中分别安装了不同的传感器．
[要点提炼]
1．各种传感器的作用都是把非电学量转换成电学量． 2．传感器的构造 ――→非电信息敏感元件―→处理电路――→电信息
3．敏感元件能直接感受非电信息，并把其变换成易于测量的物理量，形成电信号．常见的敏感元件有力敏元件、光敏元件、热敏元件、磁敏元件、气敏元件等．
4．处理电路能把微小的信号进展放大，并除去干扰信号，使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的电学量．
二、敏感元件的原理
[问题设计]
1．如图1所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R t 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．假设在R t 上擦一些酒精，表针将如何摆动？假设用吹风机将热风吹向电阻，表针将如何摆动？
图1
答案 由于酒精蒸发，热敏电阻R t 温度降低，电阻值增大，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R t 温度升高，电阻值减小，指针将向右偏．
2．如图2所示连接电路．把磁铁靠近或远离干簧管，观察电路中所发生的现象．你认为干簧管起了什么作用？
图2
答案 把磁铁靠近干簧管时，簧片在磁场的作用下会磁化为异名磁极相对的磁铁．当磁力大
于簧片的弹力时，两者严密地接触，电路连通，灯亮．因此，干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关．
[要点提炼]
1．热敏电阻是用半导体材料制成的，它具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．
2．干簧管是一种能感知磁场的敏感元件，在电路中的作用就是个由磁场控制的开关．
三、温度传感器
[问题设计]
如图3所示为电熨斗的构造，其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属．
图3
(1)常温下，电熨斗的上、下触点应当是接触的还是别离的？当温度过高时双金属片将怎样起作用？
(2)熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的？
答案(1)常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进展加热．当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀的厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点别离，电路断开，电热丝停顿加热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热．
(2)熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，也就是要求双金属片弯曲程度较大时，两触点别离，所以应使调温旋钮下旋．反之熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，应使调温旋钮上旋．[要点提炼]
1．热双金属片温度传感器是由两种膨胀系数相差较大的不同金属片焊接或轧制成一体后组成．它对温度的感知表现为热双金属片的形变，可以用它控制电路的通断．
2．热敏电阻：用半导体材料制成．按热敏电阻阻值随温度变化的规律，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．
(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大．
(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小．
3．金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻．
4．热敏电阻和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．金属热电阻的
化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差．
四、光传感器
1．自动门和公共场所的非触摸式自动水龙头利用了红外光传感器．
2．在环境监测、火灾报警等装置中通常利用光电式烟尘浓度计工作．
3．在工农业生产、交通运输等行业中较多地采用光电式转速表进展转数的测量．
一、对传感器的认识
例1如图4是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．
图4
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．
(1)你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请答复：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大〞或“减小〞)．
(2)将电压表分别接在b、c之间与c、d之间，当油量变化时，电压表的示数变化有何不同？解析(1)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．当油量减少时，R的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小．当把电压表接在c、d两点间，电压表示数减小时，表示油量在减少．
(2)①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．
②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，那么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(1)c、d减小(2)见解析
二、对热敏电阻的认识及应用
例2如图5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 关系曲线图．
图5
(1)为了通过测量得到图示的I －U 关系的完整曲线，在图6甲、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)
图6
(2)在图丙所示电路中，电源电压恒为9 V ，电流表读数为70 mA ，定值电阻R 1I －U 关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________ V ；电阻R 2的阻值为________ Ω.
(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子：______________________________________.
解析 (1)应选择图甲，原因是图甲所示电路电压可从0调到所需电压，调节范围较大(或图乙所示电路不能测得0附近的数据)．
(2)根据欧姆定律可得
I 1＝U R 1＝9250
A ＝0.036 A 所以I 2＝I －I 1＝0.07 A －0.036 A ＝0.034 A.
由热敏电阻的I －U 关系曲线可知，
当I ＝0.034 A ＝34 mA 时，U T ＝5.2 V
所以R 2＝U －U T I 2
＝,0.034) Ω≈111.8 Ω. 答案 (1)甲 原因见解析
(3)热敏温度计(提出其他实例，只要合理均对)
三、对光传感器的认识及应用
例3 如图7所示为光电式烟尘浓度计的原理图，试说明其工作原理．
图7
解析光源1发出的光线经半透半反镜3，分成两束强度相等的光线．一束光线直接到达光电转换电路7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号．另一束光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上，其中一局部光线被烟尘吸收或因散射而衰减，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电转换电路6的光就越弱．两路光线分别转换成电压信号U1、U2，如果U1＝U2，说明被测的光路上没有烟尘，相反，如果U1、U2相差较大，说明烟尘浓度较大，因此可用两者之比，算出被测烟尘的浓度．
答案见解析
例4如图8所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时( )
图8
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
解析当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，即电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，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，那么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，故小灯泡的功率增大，C项正确．
答案ABC
1．(对传感器的认识)关于传感器，以下说法正确的选项是( )
A．所有传感器都是由半导体材料制成的
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．水银温度计是一种传感器
答案 B
解析大多数传感器是由半导体材料制成的，某些金属也可以制成传感器，如金属热电阻，故A错，B对；传感器将非电学量转换为电学量，因此传感器感知的应该是“非电信号〞，故C错；水银温度计能感受热学量，但不能把热学量转化为电学量，因此不是传感器，故D 错．
2．(对电容式传感器的认识)电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置，由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而又可推出另一物理量的值．如图9所示是四种电容式传感器的示意图，关于这四种传感器的作用，以下说法不正确的选项
．．．．．．是．( )
图9
A．甲图的传感器可以用来测量角度
B．乙图的传感器可以用来测量液面高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力
D．丁图的传感器可以用来测量速度
答案 D
解析甲图角度变化能导致极板正对面积变化；乙图液面高度变化能导致极板正对面积变化；丙图F变化能导致极板间距变化；丁图中位置变化导致电介质变化．所以，甲、乙、丙、丁分别是测角度、液面高度、压力、位移的物理量．应选D.
3．(对光敏电阻、热敏电阻的认识及电路分析)如图10所示电路中，电源电动势为E，内阻为r，R T为负温度系数热敏电阻，R G为光敏电阻，闭合开关后，小灯泡L正常发光，由于环境改变(光照或温度)，发现小灯泡亮度变暗，那么引起小灯泡变暗的原因可能是( )
图10
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
答案AC
4．(对光传感器的认识)烟雾散射火灾报警器使用的是( )
A．光传感器B．温度传感器
C．红外传感器D．超场波传感器
答案 A
解析烟雾散射火灾报警器是烟雾进入报警器后，光被散射，照到报警器中的光传感器上，使电路接通，报警器工作，发出警报，A对，B、C、D错．
题组一对传感器的认识
1．传感器担负着信息采集的任务，它可以( )
A．将力学量(如形变量)转变成电学量
B．将热学量转变成电学量
C．将光学量转变成电学量
D．将电学量转变成力学量
答案ABC
解析传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件．应选项A、B、C对，选项D错．
2．关于干簧管，以下说法正确的选项是 ( )
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
答案CD
解析干簧管能感知磁场，是因为当两个簧片所处位置的磁场方向一样时，两个簧片被磁化而接通，所以是做开关来使用的，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开．
3.如图1所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极．在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 ( )
图1
A．距离变化B．正对面积变化
C．电介质变化D．电压变化
答案 A
解析振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号．
题组二对热敏电阻、金属热电阻的认识及电路分析
R的阻值随温度变化情况的示意图，现在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选项是( )
图2
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为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显
D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显
答案 C
解析如果R为金属热电阻，那么读数变大，但不会非常明显，故A、B均错；如果R为热敏电阻，读数变化非常明显，故C对，D错．
5．如图3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( )
图3
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
答案 C
解析R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有C正确．
题组三对光传感器的认识及电路分析
6．遥控器能调换电视机频道，利用的是光传感器．以下属于应用这类传感器的是( ) A．红外报警装置
B．金属电阻温度计
C．电子电路中使用的“干簧管〞
D．霍尔元件
答案 A
解析红外报警装置是利用的光敏电阻制成的光传感器，A正确；金属电阻温度计是利用的热敏电阻制成的传感器，B错误；干簧管利用的热敏电阻，C错误；霍尔元件利用的是霍尔效应，D错误．
7．街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的( )
A．压敏性B．光敏性
C．热敏性D．三种特性都利用
答案 B
解析灯要求夜晚亮、白天熄．那么白天有光，黑夜没有光，那么是由光导致电路的电流变
化，所以电路中光传感器导致电阻变化，实现自动控制，因此是利用半导体的光敏性，应选B.
8．如图4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(光照增强时电阻变小)，以下说法中正确的选项是 ( )
图4
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，电压表读数变大答案AD
解析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．
9.如图5所示，R3是光敏电阻(光照时电阻变小)，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b 两点等电势．当用光照射电阻R3时，那么( )
图5
A．a点电势高于b点电势
B．a点电势低于b点电势
C．a点电势等于b点电势
D．a点电势和b点电势的大小无法比拟
答案 A
解析R3是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他
电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势．。