2020高中物理 第三章 传感器 1 传感器 2 温度传感器和光传感器学案 教科版选修3-2

1．传感器
2．温度传感器和光传感器
[知识梳理]
一、传感器
2．敏感元件的原理
(1)根据感知原理分类
①物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应．
②化学类：基于化学反应的原理．
③生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能．
(2)原理：大多数传感器是通过敏感元件把非电学量转变为电学量，或转化为电路的控制开关，从而实现方便的显示、记录、处理和控制．
(3)应用实例
半导体热敏电阻：具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．常用于温度传感器．
干簧管：感知磁场的敏感元件，常用于磁场控制开关．
二、温度传感器和光传感器
1．温度传感器
(1)概念：温度传感器是把温度转换为电信号的传感器．
(2)几种常用的温度传感器：
①热双金属片温度传感器
a．敏感元件：两种热膨胀系数相差较大的金属片焊接或轧制成的热双金属片．
b．工作原理：温度升高时，由于两面金属膨胀程度不同，双金属片就会变形．因此热双金属片可作为温度的敏感元件．
利用了热双金属片对温度的感知表现为形变的特性．
②热电阻传感器
a．敏感元件：用金属丝制作的感温电阻．(又叫热电阻)
b．热电阻阻值与温度t的关系
R＝R0(1＋θt)．
(R0为t＝0 ℃时导体电阻，θ为温度系数)
③热敏电阻传感器
a．敏感元件：半导体热敏电阻．
b．热敏电阻的分类：
一种是随温度升高而电阻减小的热敏电阻，用NTC符号表示；另一类随温度升高而电阻增大的热敏电阻，用PTC符号表示．
c．特点及用途：
热敏电阻对温度变化的响应很敏感，常用于测温、温度控制或过热保护．
2．光传感器
(1)概念
光传感器是利用光敏电阻把光强这个光学量转换为电阻这个电学量，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小．
(2)应用：火灾报警器、光电式转速器等都是利用了光电传感器来工作的．
(3)两种实用的光传感器
①光电式烟尘浓度计，靠监测烟尘浓度来工作．
②光电式转速表
光源发出的光经透镜会聚成平行光束照到被测旋转物体上，被反光纸反射回来，再经透镜聚焦落到光敏二极管上，产生与转速对应的电脉冲信号，经信号处理电路处理后，显示出转速．
[基础自测]
1．思考判断
(1)传感器就是指敏感元件．(×)
(2)传感器能把电信号转换成非电信号．(×)
(3)家庭用的电视机遥控器属于红外线遥控．(√)
(4)有光照射时，光敏电阻的阻值变大．(×)
(5)热敏电阻在温度升高时阻值变小．(×)
(6)金属热电阻在温度升高时阻值变小．(×)
2．当你走近某些宾馆、酒店的大门时，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
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，红外线不属于可见光，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．故选项D 正确．]
3．(多选)如图3­1­1所示为电阻R 随温度T 变化的图线，下列说法中正确的是( )
【导学号：24622096】
图3­1­1
A ．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的
B ．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的
C ．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高
D ．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高
BD [由题图可知，图线1是金属热电阻的R ­T 图线，图线2是热敏电阻的R ­T 图线，根据它们的材料性质和图像特点可知，选项B 、D 正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
1.
2．传感器的分类
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．若将电压表分别接在b 、c 之间与c 、d 之间，当油量变化时，电压表的示数如何变化？
图3­1­2
思路点拨：①由题图确定R ′和R 是串联，油量的变化会改变R 的值．②当油箱中油量减少时，浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，R 的值变大．③串联电路中，电阻起分压作用．
【解析】 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．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，则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】 见解析 [针对训练]
1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( ) A ．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B ．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C ．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D ．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
C [传感器工作的一般流程为：非电学量(被),敏感元件(感知，然后通过),转换元件(转换成电信号，再通过),转换电路(将此信号转换成易于传输或测量的),电学量，因此A 、B 、
D 错，C 对．]
2. (多选)如图3­1­3所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化．关于干簧管，下列说法正确的是 ( )
图3­1­3
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
CD [干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作为开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的．]
1.
2.当光敏电阻受到光照射时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性明显地增强，电阻减小．
3．热敏电阻的种类及特性曲线
常见的有两种类型，图中3­1­4甲为PTC 型，乙为NTC 型．PTC 型为正温度系数热敏电阻，NTC 型为负温度系数热敏电阻．
图3­1­4
如图3­1­5所示，将一个光敏电阻接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
光照射电阻时，表针自左向右偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的自左向右偏角为θ′，则可判断( )
图3­1­5
A ．θ′＝θ
B ．θ′<θ
C ．θ′>θ
D ．不能确定
思路点拨：根据串并联电路特点及闭合电路欧姆定律进行分析．
B [光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，指针自左向右的偏转角度
变小，故B正确．]
含有热敏电阻、光敏电阻电路的动态分析步骤
(1)明确热敏电阻(或光敏电阻)的阻值随温度(或光线强弱)是增大还是减小．
(2)分析整个回路的电阻的增减，电流的增减．
(3)分析部分电路的电压、电流如何变化.
[针对训练]
3.半导体的电阻率随温度的升高而减小，经常利用半导体的这一特性来制作传感器，如图3­1­6所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器．值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器．当传感器R3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 ( )
图3­1­6
A．I变大，U变大B．I变大，U变小
C．I变小，U变小D．I变小，U变大
C[当出现火情时，热敏电阻R3的阻值减小，则外电路总电阻减小；由闭合电路欧姆定律可知，电路中总电流将增大；由U＝E－Ir可知，路端电压减小，则图中报警器两端的电压U将减小；因总电流增大，则R1两端的电压增大，并联部分的电压减小，则可知流过R2中的电流I减小，故选项C正确．]
4．(多选)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3­1­7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( )
图3­1­7
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
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．]
[当堂达标·固双基]
1．下列关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的说法中，正确的是( )
A．物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域
B．化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不是输出电学量
C．生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作
D．生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求
D[不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B错；物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错；生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，故C错，D对．] 2．如图3­1­8所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光．当用酒精灯加热电阻丝时，则关于发现小灯泡亮度变化以及发生这一现象的主要原因正确的是( )
图3­1­8
A．小灯泡变亮，小灯泡的电阻发生了变化
B．小灯泡变亮，小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C．小灯泡变暗，电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D．小灯泡变暗，电源的电压随温度发生了变化
C[用酒精灯加热电阻丝时，电阻丝的电阻率随温度升高而增大，电流减小，灯泡变暗．]
3．光敏电阻能将光信号转化为电信号是因为( )
A．光照强度发生变化时，光敏电阻的阻值也发生变化
B．光照强度发生变化时，光敏电阻的体积也发生变化
C．光照强度发生变化时，光敏电阻的长度也发生变化
D．光照强度发生变化时，光敏电阻的横截面积也发生变化
A[光敏电阻的特性是光照强度变化时，电阻率发生明显变化，而长度、体积、横截面积不发生变化，故光敏电阻阻值大小会发生变化，A正确．]
4．用图3­1­9甲所示电路测量电流表的内阻，闭合开关S，当变阻器的滑片滑至c处时，电流表和电压表的读数分别为40 mA、9 V，已知图甲中热敏电阻的I­U关系图线如图3­1­9乙所示，则电流表的内阻为( )
甲乙
图3­1­9
A．0.14 Ω B．85 ΩC．140 ΩD．225 Ω
B[当电流表读数为40 mA时，说明热敏电阻的电流为40 mA，由题图知热敏电阻两端电压U R＝5.6 V，则电流表两端电压U＝9 V－5.6 V＝3.4 V，由欧姆定律得R mA＝\f(U,I)＝\f(3.4,40×10－3) Ω＝85 Ω，B正确．]。