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第5章 传感器
小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关。如果把磁体 B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭。盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？
新课导入
5.1 认识传感器+5.2 常见传感器的工作原理及应用
学习任务一
学习任务一　认识传感器
它能够感知诸如力、温度、光、声、磁场、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。
传感器是指这样一类元件或装置：
力
温度
光
声
化学成分
非电学量
电学量
电压
电流
电路的通断
传感器
[物理观念]
学习任务一
学习任务一　认识传感器
人的感觉器官和传感器的类比
[物理观念]
光传感器
声音传感器
味传感器
温度传感器
压力传感器
湿度传感器
气体传感器
视觉
嗅觉
味觉
触觉、温觉
听觉
学习任务二
离子传感器、气体传感器等
2.化学传感器：
利用电化学气体传感器制成的可燃气体报警器
利用离子传感器制成的负氧离子传感器
学习任务一　认识传感器
学习任务二
：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等
3.生物传感器
利用葡萄糖生物传感器制成的血糖仪
利用生物传感器制成的心率仪
学习任务一　认识传感器
[科学探究]如图所示,小盒子A的侧面露出一个小灯泡,盒外没有开关,但是把磁铁B放到盒子上面,灯泡就会发光,把磁铁移走,灯泡就会熄灭.盒子里有什么样的装置,才能出现这样的现象
学习任务一
学习任务一　认识传感器
[答案] 盒子里用到了干簧管,把干簧管串入电路,当磁铁靠近时两个软磁性材料制成的簧片被磁化而接通,所以干簧管能起到开关的作用.
[科学探究]
学习任务一
学习任务一　认识传感器
“干簧管”——是一种能够感知磁场的传感器
[科学探究]
学习任务一
学习任务一　认识传感器
“干簧管”——是一种能够感知磁场的传感器
原理：当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化，相互吸引而接通，干簧管能起到开关的作用。
例1 [2023·玉环中学月考] 下列关于传感器说法中不正确的是(　)
A.电子秤所使用的测力装置是力传感器,它将压力大小转化为可变电阻,进而转化为电压信号
B.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号
C.电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片,这种双金属片的作用是控制电路的通断
D.光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量
学习任务一
B
[解析] 电子秤所使用的测力装置是力传感器,它是把力信号转化为电压信号,故A正确;
话筒是一种常用的声波传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故B错误;
电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器,这种传感器的作用是控制电路的通断,故C正确;
光敏电阻的工作原理实际上是通过传感器把光信号转换成电信号,故D正确.
学习任务一
1.传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量).
2.传感器工作过程如图所示.
学习任务一
3.传感器的分类
学习任务一
工作原理 举例
物理传感器 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息 力电传感器、温度传感器、光电传感器、声传感器、电容传感器等
化学传感器 利用化学反应识别和检测信息 气敏传感器、湿敏传感器等
生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信号 酶传感器、细胞传感器等
考向一　光敏电阻
学习任务二
学习任务二　常见传感器的工作原理及其应用
把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。
硫化镉
光强——电阻率小
光弱——电阻率大
光敏电阻
考向一　光敏电阻
学习任务二
学习任务二　常见传感器的工作原理及其应用
【实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。
【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。
考向一　光敏电阻
学习任务二
学习任务二　常见传感器的工作原理及其应用
考向一　光敏电阻
学习任务二
学习任务二　常见传感器的工作原理及其应用
（1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小;
【实验结论】
（2）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。
考向一　光敏电阻
学习任务二
学习任务二　常见传感器的工作原理及其应用
光敏电阻工作原理：
光照增强 半导体材料中的载流子（自由电子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小
光学量（光照强度）
→
电学量（电阻）
作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
考向一　光敏电阻
例2 [2023·温岭中学月考] 某学校新装了一批节能路灯如图甲所示,该路灯通过光控开关实现自动控制:电灯的亮度可自动随周围环境的亮度改变而改变.如图乙为其内部电路简化原理图,电源电动势为E,内阻为r,R1为光敏电阻(光照强度增加时,其电阻值减小).当随着傍晚到来光照逐渐减弱时,下列判断正确的是(　)
A.A灯变亮,B灯变暗
B.电源的效率变大
C.电源内阻消耗的功率变大
D.R1上电流的变化量等于R0上电流变化量
学习任务二
B
学习任务二　常见传感器的工作原理及其应用
[解析] 光照逐渐减弱时,光敏电阻阻值增大,电路总电阻增大,总电流减小,内电压减小,外电压增大,A灯变亮,流过R0的电流减小,R0两端电压减小,又因为外电压增大,所以B灯两端电压增大,则B灯变亮,故A错误;
由于外电阻变大,根据η===1-可知,电源的效率变大,故B正确;
因为内电压减小,所以电源内阻消耗的功率变小,故C错误;
由题中电路可知ΔI0=ΔIB+ΔI1,其中ΔI0<0,ΔIB>0,则|ΔI0|<|ΔI1|,故D错误.
学习任务二
1.光敏电阻的材料是一种半导体,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照强度的增大,载流子增多,导电性变好,即光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小.
2.光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量.
3.光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管,是依据光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的.光电传感器有非常广泛的应用,如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等.
学习任务一
考向二　金属热电阻和热敏电阻
学习任务二
规律： 电阻随温度的升高而增大。
优缺点：热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。
电阻—温度特性曲线
R
T
o
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。
考向二　金属热电阻和热敏电阻
学习任务二
实验现象
热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大，
温度升高，热敏电阻的阻值显 著减小。
实验结论
考向二　金属热电阻和热敏电阻
例3 [2023·学军中学月考] 新冠肺炎疫情期间,额温枪被大量应用于排查高温患者.额温枪的原理是通过传感器接收红外线得出感应温度数据.某同学在实验室中用如图甲所示的电路验证额温枪测量温度的准确性.已知电源电动势E=1.5 V,内阻忽略不计,R0=15 Ω,热敏电阻的阻值与温度的关系如图乙所示.
(1)热敏电阻感应的温度越高,电压表示
数　　　　(选填“越大”或“越小”).
(2)闭合开关后,发现电压表示数为0.45 V,
则热敏电阻感应的温度为　　　　℃
(保留1位小数).
学习任务二
越大
40.0
学习任务二
[解析] (1)由图甲可知,热敏电阻与R0串联,电压表测R0两端电压U0,当热敏电阻感应的温度升高时,由图乙可知,热敏电阻阻值变小,电路中电流I0变大,根据U0=I0R0可知,电压表示数U0变大.
(2)当电压表示数为U'=0.45 V时,根据串联电路的特点可知,通过热敏电阻的电流I=I'== A=0.03 A,热敏电阻两端电压U=E-U'=1.5 V-0.45 V=1.05 V,则热敏电阻的阻值R== Ω=35 Ω,对照图乙可知,热敏电阻感应的温度大约为40.0 ℃.
1.热敏电阻与金属热电阻的比较
学习任务一
热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化而变化且变化得非常明显,电阻值随温度升高而减小 电阻率随温度的升高而增大
R-T图像
制作材料 半导体 金属导体
优点 灵敏度好 化学稳定性好,测温范围大
作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 2.热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的,它有非常广泛的应用,如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等.
学习任务一
考向三　电阻应变片
学习任务二
当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。
原理：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。
常见的一种力传感器：
应变式力传感器
应变片
金属梁
考向三　电阻应变片
学习任务二
金属梁
应变片
应变片
F
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。
考向三　电阻应变片
例4 如图所示是智能称重地磅,它使用方便快捷、计量精度高、反应速度灵敏、移动方便,这种地磅安装了应变式力传感器,下列关于应变式力传感器的说法不正确的是(　)
A.应变片常用半导体材料制成
B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大;反之,变小
C.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大,输出的电压差值也越大
学习任务二
C
[解析] 半导体是常用的电阻应变片制作材料,A正确,不符合题意;
当应变片拉伸时,其电阻变大,B正确,不符合题意;
传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值越来越大,C错误,符合题意;D正确,不符合题意.
学习任务二
1.应变式力传感器主要由金属梁和电阻应变片组成.
2.工作原理:如图所示,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,在梁的自由端施加力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.
学习任务二
3.应变式力传感器的工作流程
学习任务二
思考与讨论
话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。图乙是电容式话筒的组成结构示意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个全属片（固定电极），它们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作。你能根据它的工作过程说说各组成元件的作用吗
敏感元件
振动膜片
转换元件
固定电极
转换电路
电阻电源
考向四　电容式传感器
学习任务二
如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
根据电容的定义式 ，可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，就可判断电容的变化。
考向四　电容式传感器
学习任务二
（1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等
定片
动片
θ
电介质
金属芯线
导电液体
角度、深度
位移、压力
电容
传感器
电容
（2）改变d：测量压力F
待测压力F
固定电极
可动电极
（3）改变ε：测量位移x
电容器极板
电介质板
被测物体
电容式位移传感器
x
考向四　电容式传感器
例5 传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电荷量等)的一种元件.如图中的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器,下列说法正确的是(　)
A.图甲中两极间的电荷量不变,若电压减小,可判断出h变小
B.图乙中两极间的电荷量不变,若电压增大,可判断出θ变小
C.图丙中两极间的电压不变,若有电流流向传感器的负极,则x变小
D.图丁中两极间的电压不变,若有电流流向传感器的正极,则F变大
D
学习任务二
[解析] 图甲中两极间的电荷量不变,若电压减小,则由电容的定义式C=分析可知,电容增大,由电容的决定式C=可知,两极间正对面积增大,h变大,A错误;
图乙中两极间的电荷量不变,若电压增大,则由电容的定义式C=,分析可知,电容减小,由电容的决定式C=可知,极板正对面积减小,θ变大,B错误;
学习任务二
图丙中两极间的电压不变,若有电流流向传感器的负极,说明电容器在放电,电荷量减小,由电容的定义式C=分析可知,电容减小,由电容的决定式C=可知,电介质向外移动,则x变大,C错误;
图丁中两极间的电压不变,若有电流流向传感器的正极,说明电容器在充电,电荷量增加,由电容的定义式C=分析可知,电容增大,由电容的决定式C=可知,两电极间距离减小,则F变大,D正确.
学习任务二
1.电容式传感器:电容器的电容取决于极板的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素.如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,那么这种电容器就被称为电容式传感器.
2.电容式传感器是一种多功能传感器,可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量.分析原理时,关键要搞清楚是将哪个非电学量转换为电容,然后结合电容的决定式来分析.
学习任务二
课 堂 小 结
传感器
一
传感器的组成与应用模式
传感器的种类
物理传感器
生物传感器
化学传感器
常见传感器的工作原理及应用
光敏电阻
电阻应变片
金属热电阻和热敏电阻
思维拓展
课后习题
1. 什么是传感器？它的作用是什么？简述 一下你对传感器的认识和理解。
课后习题
2. 请列举一个你认为很“神奇”的利用传 感器工作的例子，简单说明它的原理。
课后习题
3. 以下工作中，你认为要用什么传感器？
（1）让孵化器在一定温度下孵化禽蛋；
（2）电梯超出负载时，发出报警提示；
（3）使汽车排放符合国家标准的尾气。
课后习题
1. 按照你对以下几种传感器的理解，填写下面的表格。
5.2常见传感器的工作原理及应用
课后习题
2. 图5.2-14是一种电感式微小位移传感器 的原理图。1是待测位移的物体，3是空心线圈， 软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线 圈中左右平移。这种传感器可以把被测物体位 移的大小转换为线圈自感系数的大小，请定性 说明它的工作原理，并尝试设计与线圈3相连 的电路。
5.2常见传感器的工作原理及应用
课后习题
3. 电饭锅中应用了温度传感器，它的主要 元件是感温铁氧体，其特点是：常温下感温铁氧体具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度 上升到约103 ℃时，就失去了铁磁性，不能被 磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料 的“居里点”。电饭锅的结构如图5.2-15所示， 请结合温度传感器的特点回答以下问题：
（1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？ 手松开后这个按钮是否会恢复到图示状态？为 什么？
（2）煮饭时水沸腾后锅内还有一定水分 时，为什么锅的温度会保持100 ℃而不会持续 升高？
（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温 度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪 些动作？
（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后 自动断电？

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