高中物理新教材同步选择性必修第二册 第5章传感器 1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用

四、电阻应变片 导学探究
如图7所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在 梁的上下表面各贴一个应变片.结合力传感器的特点，叙述它的工作原理.
图7
答案 在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩， 上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小.力F越大，弯曲形 变越大，应变片的电阻变化就越大.如果让应变片中通过的电流保持恒定， 那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小.传感 器把这两个电压的差值输出.力F越大，输出的电压差值也就越大.
电动势为E，内阻为r，R1为光敏电阻，光照强度增大时，其阻值减小.现 增加光照强度，则下列判断正确的是
A.B灯变暗，A灯变亮
√B.R2两端的电压变大
C.B灯变亮，A灯变暗
D.电源的总功率变小
图9
1234
解析 增加光照强度时，R1的阻值减小，电路的总电阻减小.根据闭合 电路的欧姆定律可知，电路中的总电流增大，电源的总功率增大，路 端电压减小，A灯变暗，A中的电流变小，则R2的电流变大，R2两端的 电压变大，R1两端的电压变小，B灯变暗，选项B正确，A、C、D错误.
√A.电容器C的带电荷量增大 √B.理想电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
图6
解析 当环境温度降低时，R2 的阻值变大，电路的总电阻变大，由 I＝RE总 可知 I 变小，又 U＝E－Ir，则电压表的读数增大，B 正确； 由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误； 电容器 C 两板间的电压 U2＝U－U1，U1＝IR1，可知 U1 变小，U2 变大， 由场强 E′＝Ud2，Q＝CU2 可知，Q、E′都增大，故 A 正确，C 错误.
知识深化
1.传感器的核心元件 (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：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.传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸 碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、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输送给控制系统产生各种控制 动作.传感器的工作原理如下所示： 非电学量 → 敏感元件 → 转换元件 → 转换电路 → 电学量
解析 楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮与光传感器有关； 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.
二、光敏电阻
导学探究
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，如图2所示为光敏电阻自动计数器的示意图，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？
热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻
值减小，多用电表指针将向右偏.
图4
知识深化
1.金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而增
大，如图5图线①所示.
2.热敏电阻
(1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变
图5
化发生明显变化的电阻.如图5图线②所示为某热敏电阻的电阻—温度特
性曲线.
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值
(1)传感器可以把非电学量转化为电学量.( √ ) (2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大.( × )
(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但
灵敏度低.( × ) (4)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化.( √ )
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探究重点 提升素养
TANJIUZHONGDIAN TISHENGSUYANG
例2 许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯白天不亮，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
压力 F/N
0
50 100 150 200 250 300 …
电阻 R/Ω
300 270 240 210 180 150 120 …
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是 多少？(取g＝10 N/kg) 答案 55 kg
压力 F/N
电阻 R/Ω
0 50 100 150 200 250 300 … 300 270 240 210 180 150 120 …
一、传感器 导学探究
干簧管结构：如图1甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片， 接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：
图1
(1)会发生什么现象，为什么？ 答案 灯泡会亮，因为当条形磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通. (2)干簧管的作用是什么？ 答案 干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器.
1.(对传感器的理解)关于传感器工作的一般流程，下列说法正确的是
√A.非电信息→敏感元件→处理电路→电信息
B.电信息→处理电路→敏感元件→非电信息 C.非电信息→敏感元件→电信息→处理电路 D.非电信息→处理电路→敏感元件→电信息
1234
2.(光敏电阻的应用)(2020·海南海口四中高二上期中)如图9所示，电源的
随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而
减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻.常用的是负温度系数热敏电阻.
例4 (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6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
压力 F/N
电阻 R/Ω
0 50 100 150 200 250 300 … 300 270 240 210 180 150 120 …
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
答案 15.6 mA
解析 依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1 ＝300 Ω，电路中的电流为I1＝RU1＝43.0608 A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线 应标在电流表刻度盘的15.6 mA处.
三、金属热电阻和热敏电阻
导学探究
如图4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RT(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时 表针恰好指在刻度盘的正中央.若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如 何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
答案 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电 阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将
例3 (多选)如图3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
√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Baidu Nhomakorabea大
图3
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小而 减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，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； 因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两 端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确； 因干路电流增大，且R2中电流减小，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.
总电流增大，则R1两端的电压增大，而路端电压减小，所以灯泡两端的 电压减小，灯泡变暗，选项B、D正确，C错误.
例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
解析 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等， A错误，B正确； 传感器是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误； 水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误.
四、电阻应变片 1.电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随 之变化的现象. 2.电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和 半导体电阻应变片 ，半 导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的 压阻效应 . 3.电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为 电阻 这个电学量.
即学即用 判断下列说法的正误.
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3.(热敏电阻的应用)(多选)如图10所示，R1为定值电阻，R2是正温度系数 的热敏电阻(即温度越高，电阻值越大)，L为小灯泡，当温度下降时
√A.理想电流表的示数增大 √B.R1两端的电压增大
C.小灯泡变亮
√D.小灯泡变暗
图10
解析 当温度下降时，R2减小，外电路的总电阻减小，总电流增大，路 端电压减小，电流表测量总电流，则知其示数增大，选项A正确；
SHULIJIAOCAI HANGSHIJICHU
一、传感器及其工作原理 1.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， 并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出.通常 转换成的可用信号是电压、电流等 电学 量，或转换为电路的 通断 . 2.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 . 3.传感器的组成：传感器的基本部分一般由 敏感元件 、 转换元件 组成.
解析 当电流表刻度盘的读数为 I2＝20 mA 时，压力传感器的电阻 R2＝UI2 ＝20×4.6180－3 Ω＝234 Ω， 由R＝300－0.6F，解得F2＝110 N. 再由F2·AO＝G·BO，可得G＝550 N. 故人的体重为 m＝Gg ＝55 kg.
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随堂演练 逐点落实
SUITANGYANLIAN ZHUDIANLUOSHI
电阻 R/Ω
300 270 240 210 180 150 120 …
踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，
压力传感器两端电压恒为4.68 V，则：
图8
压力 F/N
电阻 R/Ω
0 50 100 150 200 250 300 … 300 270 240 210 180 150 120 …
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式； 答案 R＝300－0.6F 解析 由表中数据可归纳得出：R＝300－0.6F.
例5 有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图8所示.它主要由三部分 构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变 化的电阻器)、显示体重的仪表 (其实质是电流表).其中AO∶BO＝5∶1. 已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：
压力 F/N
0
50 100 150 200 250 300 …
第五章 传感器
1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用
【学习目标】
1.知道什么是传感器，了解传感器的种类. 2.知道传感器的组成与应用模式. 3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片的工
作原理及应用.
【内容索引】
梳理教材 夯实基础
探究重点 提升素养
随堂演练 逐点落实
课时 对点练
梳理教材 夯实基础
答案 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.
图2
知识深化
1.光敏电阻一般由半导体材料制成，当半导体材料受到光照时，载流子 增多，导电性能明显增强，光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小. 2.光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小.它能够把光照强弱这个 光学量转换为电阻这个电学量.
4.传感器应用的一般模式
二、光敏电阻 光敏电阻在被光照射时 电阻 发生变化，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. 三、金属热电阻和热敏电阻 1.金属热电阻：金属的电阻率随温度的 升高 而增大，利用这一特性，金 属丝可以制作 温度 传感器，称为热电阻. 2.热敏电阻：用 半导体 材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度 的升高而 减小 .