(新人教版)2019版高中物理-第三章-传感器-3.1-3.2-传感器-温度传感器和光传感器学案-教科版选修3-2【重点

1 传感器

2 温度传感器和光传感器

[学习目标] 1.了解什么是传感器，感受传感技术在信息时代的作用与意义.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.

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.组成：一般由敏感元件和处理电路组成.

(1)敏感元件：将要测量的非电信息变换成易于测量的物理量，形成电信号.

(2)处理电路：将敏感元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量.

3.敏感元件的原理

(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.

二、温度传感器

1.分类

(1)热双金属片温度传感器.

(2)热电阻传感器.

(3)热敏电阻传感器.

①NTC型：电阻值随温度升高而减小.

②PTC型：电阻值随温度升高而增大.

2.作用

将温度变化转换为电学量变化，通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测量.

三、光传感器

1.原理：某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.作用：感知光线的变化或场景的变换，使“机器”作出反应.

[即学即用]

1.判断下列说法的正误.

(1)传感器可以把非电学量转化为电学量.( √)

(2)热敏电阻的阻值随温度的升高而增大.( ×)

(3)干簧管可以感知磁场，接入电路，相当于开关的作用.( √)

(4)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，光照越强电阻越小.( √)

2.如图1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，电流表的读数________(填“变大”或“变小”)，小灯泡的亮度________(填“变亮”或“变暗”).

图1

答案变小变亮

一、传感器

[导学探究] 当你走进一座大楼时，大堂的自动门是如何“看到”你而自动打开的？

答案人体发出的红外线被传感器接收后传给自动控制装置的电动机，实现自动开关门. [知识深化]

1.传感器的原理：

非电学量→→电学量

2.在分析传感器时要明确：

(1)核心元件是什么；

(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；

(3)是如何显示或控制开关的.

例1如图2是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置.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.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2

答案见解析

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.

二、温度传感器

[导学探究] 如图3所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R T(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R T上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？

图3

答案由于酒精蒸发，热敏电阻R T温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻R T温度升高，电阻值减小，表针将向右偏.

[知识深化]

1.温度传感器的作用：将温度的变化转换为电学量的变化.

2.常见的温度传感器

(1)热双金属片温度传感器

①原理：两种膨胀系数相差较大的不同金属片制成一体，温度升高时，双金属片变形，可控制电路的通断.

②应用：日光灯启动器，电机、电冰箱保护等.

(2)热电阻传感器

①原理：用金属丝制作的感温电阻叫热电阻，当外界温度t发生变化时，其电阻值按R＝R0(1＋θt)的规律变化(θ为温度系数，R0为t＝0 ℃时导体的电阻).

②应用：测温度、测流量等.

(3)热敏电阻传感器

①原理：半导体热敏电阻的阻值随温度的变化而变化.

②应用：测温、温度控制或过热保护等.

③分类：正温度系数的热敏电阻(PTC)，它的电阻随温度升高而增大. 负温度系数的热敏电阻(NTC)，它的电阻随温度的升高而减小.

例2 (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4所示电路，R 1为定值电阻，R 2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( )

图4

A.电容器C 的带电荷量增大

B.电压表的读数增大

C.电容器C 两板间的电场强度减小

D.R 1消耗的功率增大 答案 AB

解析 当环境温度降低时，R 2变大，电路的总电阻变大，由I ＝

E

R 总

知I 变小，又U ＝E －Ir ，电压表的读数U 增大，B 正确；又由P 1＝I 2

R 1可知，R 1消耗的功率P 1变小，D 错误；电容器两板间的电压U 2＝U －U 1，U 1＝IR 1，可知U 1变小，U 2变大，由场强E ′＝U 2

d

，Q ＝CU 2可知，Q 、E ′都增大，故A 正确，C 错误. 三、光传感器

[导学探究] 如图5所示为光电式烟尘浓度计的原理图，请阅读教材，然后简述其工作原理.

图5

答案 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.一路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.另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上，其中一部分光线被烟尘吸收或散射而衰减，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U 1、U 2，如果

U 1＝U 2，说明被测的光路上没有烟尘；相反，如果U 1、U 2相差较大，说明烟尘较大，因此可用

两者之比，算出被测烟尘的浓度.

例3 (多选)如图6所示，R 1、R 2为定值电阻，L 为小灯泡，R 3为光敏电阻，当入射光强度