2017-2018學(xué)年高中創(chuàng)新設(shè)計物理粵教版選修3-2學(xué)案：第三章 1-2 認識傳感器 傳感器的原理

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精［目標(biāo)定位]1。了解什么是傳感器，感受傳感技術(shù)在信息時代的作用與意義。2。知道將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的意義。3.了解光敏電阻、熱敏電阻的性能,知道溫度傳感器、光電傳感器的工作原理及作用．一、對傳感器的理解1．定義：能感受規(guī)定的被測量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置．2．作用：能將被測的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成為各種易于測量的電信號．3．組成及原理4．分類(1）按被測量分加速度、速度、位移、壓力、溫度、負荷、扭矩傳感器等．（2）按工作原理分電阻應(yīng)變式、壓電式、電容式、渦流式、動圈式、磁電式、差動變壓器式傳感器等．(3）按能量傳遞方式分有源傳感器和無源傳感器．深度思考傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)與自動控制中有什么作用？答案傳感器的作用是把非電學(xué)量（如光、聲音、溫度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)量(如電壓、電流等），尤其是將電學(xué)量與計算機技術(shù)結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)信息的采集、處理、輸出的自動化和智能化，所以傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)與自動控制中有極其重要的作用．例1如圖1所示，是一種測定油箱油量多少或變化多少的裝置．其中電源電壓保持不變，R是滑動變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端．在裝置中使用了一只電壓表（圖中沒有畫出)，通過觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況,你認為電壓表應(yīng)該接在圖中的________兩點之間，按照你的接法請回答：當(dāng)油箱中油量減少時，電壓表的示數(shù)將______（選填“增大”或“減小”)．圖1答案c、d減小解析由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時，R的金屬滑片將會移動,從而引起R兩端電壓的變化．當(dāng)油量減少時,R的數(shù)值會增大，電路中的電流會減?。甤、d間的電壓會減?。?dāng)把電壓表接在c、d兩點間,電壓表數(shù)值減小時，表示油量在減?。畟鞲衅鲉栴}的分析思路不同類型的傳感器，其工作原理一般不同，但所有的傳感器都是把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化.因此我們可以根據(jù)電學(xué)量的變化來推測相關(guān)量的變化。二、溫度傳感器的原理1．作用：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化，通過測量傳感器元件的電學(xué)量隨溫度變化來實現(xiàn)溫度的測量．2．熱敏電阻的特性：熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化，正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大，負溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小．3．應(yīng)用:電飯煲、空調(diào)機、電熱水器、微波爐等．深度思考熱敏電阻是溫度傳感器中的重要元件，是不是所有的熱敏電阻的阻值都隨溫度的升高而減??？答案不是．正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC)在溫度升高時電阻值增大，負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）在溫度升高時電阻值減?。?如圖2所示，由電源、小燈泡、電阻絲、開關(guān)組成的電路中，當(dāng)閉合開關(guān)S后,小燈泡正常發(fā)光，若用酒精燈加熱電阻絲時，發(fā)現(xiàn)小燈泡的亮度變化是__________，發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是________（填選項序號）．圖2A．小燈泡的電阻發(fā)生了變化B．小燈泡燈絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化C．電阻絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化D．電源的電壓隨溫度發(fā)生了變化答案變暗C解析電阻絲的電阻率隨溫度的升高而增大，電阻也增大，電路中電流減小,根據(jù)P＝I2R知，小燈泡的實際功率減小，所以變暗．例3在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制．如圖3所示電路，R1為定值電阻,R2為半導(dǎo)體熱敏電阻（溫度越高電阻越?。珻為電容器．當(dāng)環(huán)境溫度降低時(）圖3A．電容器C的帶電荷量增大B．電壓表的讀數(shù)增大C．電容器C兩板間的電場強度減小D．R1消耗的功率增大解析當(dāng)環(huán)境溫度降低時，R2變大，電路的總電阻變大，由I＝eq\f（E,R總)知I變小，又U＝E－Ir，電壓表的讀數(shù)U增大，B正確；又由P1＝I2R1可知,R1消耗的功率P1變小，D錯誤;電容器兩板間的電壓U2＝U－U1,U1＝IR1，可知U1變小，U2變大，由場強E′＝eq\f(U2,d），Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正確，C錯誤．答案AB三、光電傳感器的原理1．應(yīng)用：路燈光電自動開關(guān)電路和紅外樓道照明開關(guān)電路．2．光敏電阻特性：光敏電阻的阻值隨光照的增強而減小．3．作用:將光學(xué)量變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化．深度思考現(xiàn)在樓道里的電燈有這樣的功能：天黑時，出現(xiàn)聲音它就開啟,而在白天，即使有聲音它也沒有反應(yīng)．問它的控制電路中應(yīng)用了哪幾種傳感器？答案應(yīng)用了兩種傳感器:聲電傳感器和光電傳感器．樓道里的燈只有天黑時出現(xiàn)聲音才亮，說明它的控制電路中有聲電傳感器，而在白天即使有聲音它也不亮，說明它的控制電路中還有光電傳感器．例4如圖4所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強度增大時（)圖4A．電壓表的示數(shù)減小 B．R2中電流減小C．小燈泡的功率增大 D．電路的路端電壓增大答案BC解析當(dāng)光強度增大時，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大,A、D項錯誤．由路端電壓減小,而R1兩端電壓增大,可知R2兩端電壓必減小，故R2中電流減小,B項正確;結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，C項正確．解決含有熱敏電阻、光敏電阻的直流電路動態(tài)分析問題：①明確熱敏電阻、光敏電阻的電阻特性;②解題思路：R局eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,減小))→R總eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,減小)）→I總eq\b\lc\｛\rc\(\a\vs4\al\co1（減小，增大))→U端eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1（增大，減小)）?eq\b\lc\｛\rc\(\a\vs4\al\co1(I分的變化，U分的變化）)1．(對傳感器的理解)用遙控器調(diào)換電視機頻道的過程，實際上就是傳感器把光信號轉(zhuǎn)化為電信號的過程．下列屬于這類傳感器的是()A．紅外報警裝置B．走廊照明燈的聲控開關(guān)C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器答案A解析遙控器是利用紅外線傳輸信號的,故A項正確．2．（熱敏電阻的特性)如圖5所示，R1為定值電阻，R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(）圖5A．R1兩端的電壓增大B．電流表的示數(shù)增大C．小燈泡的亮度變強D．小燈泡的亮度變?nèi)醮鸢窩解析R2與燈泡L并聯(lián)后與R1串聯(lián),與電源構(gòu)成閉合電路，當(dāng)熱敏電阻R2溫度降低時，它的電阻值增大，外電路電阻增大，電流示數(shù)減小，燈泡L兩端的電壓增大，燈泡亮度變強,R1兩端的電壓減小，故C正確，其余各項均錯．3．（光敏電阻的特性)如圖6所示，電源兩端的電壓恒定,L為小燈泡,R為光敏電阻，LED為發(fā)光二極管（電流越大，發(fā)出的光越強），且R與LED間距不變,閉合開關(guān)S后，下列說法中正確的是()圖6A．當(dāng)滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率增大B．當(dāng)滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率減小C．當(dāng)滑動觸頭P向右移動時,L消耗的功率可能不變D．無論怎樣移動滑動觸頭P,L消耗的功率都不變答案A解析當(dāng)滑動觸頭P向左移動時，使其電阻減小，則流過二極管的電流增大,從而發(fā)光增強,使光敏電阻R的阻值減小，通過燈泡L的電流增大,則L消耗的功率增大，A正確，B、D錯誤;當(dāng)滑動觸頭P向右移動時，可分析出L消耗的功率變小，C錯誤．題組一對傳感器的理解1．有一些星級賓館的洗手間裝有自動干手機，洗手后將濕手靠近，機內(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱，有熱空氣從機內(nèi)噴出，將濕手烘干，手靠近干手機能使傳感器工作，是因為（)A．改變濕度 B．改變溫度C．改變磁場 D．改變電容答案D解析手靠近干手機后，使電容式傳感器的電容改變，干手機內(nèi)的電熱器工作．2．傳感器是把非電學(xué)量（如位移、壓力、流量、聲強等）轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一種元件．如圖1所示為一種電容式傳感器，電路可將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號．電路中a、b構(gòu)成一個電容器,b是固定不動的金屬板，a是能在聲波驅(qū)動下沿水平方向振動的鍍有金屬層的振動膜．若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動，則a在振動過程中（)圖1A．a(chǎn)、b板之間的電場強度不變B．a(chǎn)、b板所帶的電荷量不變C．電路中始終有方向不變的電流D．向右位移最大時,電容器的電容最大答案D解析a、b始終跟電源相連，電勢差U不變，由于a、b間距離變化，由E＝eq\f(U，d)知場強變化，A錯誤；由C＝eq\f(εrS，4πkd）知d變化時C變化，a向右位移最大時,電容最大,D正確；由Q＝CU知a、b所帶電荷量變化，電路中電流方向改變,B、C錯誤．3．（多選)電容式傳感器是用來將非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置．由于電容器的電容C取決于極板正對面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個因素，當(dāng)某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化,從而引起電容的變化，如圖2所示是四個電容式傳感器的示意圖，關(guān)于這四個傳感器的作用，下列說法正確的是（)圖2A．甲圖的傳感器可以用來測量角度B．乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度C．丙圖的傳感器可以用來測量壓力D．丁圖的傳感器只能用來測量速度答案ABC4。為監(jiān)測某化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖3所示的流量計．該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口．在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場，在前后兩個內(nèi)側(cè)面分別固定有金屬板作為電極．污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U.若用Q表示污水流量(單位時間內(nèi)排出的污水體積)，下列說法中正確的是()圖3A．若污水中正離子較多，則前表面比后表面電勢高B．若污水中負離子較多,則前表面比后表面電勢高C．污水中離子濃度越高,電壓表的示數(shù)將越大D．污水流量Q與U成正比，與a、b無關(guān)答案D解析由左手定則可以判斷出正離子較多時,正離子受到的洛倫茲力使其向后表面偏轉(zhuǎn)聚集而導(dǎo)致后表面電勢升高，同理負離子較多時,負離子向前表面偏轉(zhuǎn)聚集而導(dǎo)致前表面電勢低，故A、B錯誤．設(shè)前、后表面間的最高電壓為U，則eq\f（qU，b）＝qvB，所以U＝vBb，由此可知U與離子濃度無關(guān),故C錯誤．因Q＝vbc，而U＝vBb，所以Q＝eq\f（Uc，B)，D正確．題組二熱敏電阻的特性5．如圖4所示是一個火災(zāi)報警器的部分電路示意圖，其中R2為用半導(dǎo)體熱敏材料（負溫度系數(shù)）制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器,當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是（)圖4A．I增大，U增大 B．I減小，U減小C．I減小,U增大 D．I增大,U減小答案B解析當(dāng)R2所在處出現(xiàn)火情時,半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器的電阻將減小，則此時電路中的總電阻減小,由閉合電路的歐姆定律可知：外電路的電壓將減小，電路中的總電流增大，所以R1上的電壓增大，R3兩端的電壓將減小，顯示器的電流減小．故正確選項為B。6．溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱等家用電器中,它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性來工作的．如圖5甲所示,電源的電動勢E＝9V，內(nèi)阻不計;G為靈敏電流表，內(nèi)阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻阻值與溫度的變化關(guān)系如圖乙所示．閉合開關(guān)S，當(dāng)R的溫度等于20℃時,電流表示數(shù)I1＝2mA；當(dāng)電流表的示數(shù)I2＝3。6mA時，熱敏電阻的溫度是(）圖5A．60℃ B．80℃C．100℃ D．120℃答案D解析在20℃時，E＝（Rg＋R1)I1，得Rg＝500Ω，設(shè)溫度為t時，E＝（Rg＋R2)I2，代入數(shù)據(jù)得R2＝2000Ω,從題圖乙中可以看出t＝120℃，故選D.題組三光敏電阻的特性7．如圖6所示,將一光敏電阻接入多用電表兩表筆上，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，用光照射光敏電阻時，表針的偏角為θ；現(xiàn)用手掌擋住部分光線，表針的偏角為θ′，則可判斷(）圖6A．θ′＝θB．θ′＜θC．θ′＞θD．不能確定答案B解析光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小，用手掌擋住部分光線，阻值變大，指針自左向右偏轉(zhuǎn)角度變?。?．如圖7甲所示，光敏電阻R2上加上如圖乙所示的光照，那么R2兩端的電壓變化是下列圖中的（)圖7答案B解析光敏電阻阻值隨光照的增強而減小,根據(jù)題圖乙知R2兩端的電壓隨之同頻率地先減小后增大,但不會是零,所以選B.9．（多選)如圖8所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖,其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻．此光電計數(shù)器的工作原理是（）圖8A．當(dāng)有