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第三章传感器第1节传感器第2节温度传感器和光传感器第三章传感器1.知道传感器的概念、结构及工作原理．(重点)2.了解传感器的分类情况及热敏电阻的特性．(难点)3．知道温度传感器的原理，了解温度传感器在生活中的应用．4.知道光电传感器的原理，了解光电传感器在生活中的应用．一、传感器1．概念：传感器通常是把被测的______信息，按一定规律转换成与之对应的___信息的器件或装置．2．结构：一般由__________和__________组成，如图所示．――→非电信息敏感元件――→处理电路――→电信息(1)敏感元件能直接感受非电信息，并将这些信息变换成__________的物理量，形成电信号．非电电敏感元件处理电路易于测量(2)处理电路能把微小的信号进行______，并除去干扰信号，使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的________．二、敏感元件的原理1．敏感元件就其感知外界信息的原理可分为三类：(1)______类；(2)______类；(3)______类．2．由教材P61～62的实验探究可知：热敏电阻用________材料制成，具有电阻随______灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．放大电学量物理化学生物半导体温度3．干簧管是一种能感知______的敏感元件，它由密封在玻璃管内的两个____________构成，两个簧片相互交叠但其间保持一个缝隙，簧片在磁场作用下会磁化为异名磁极相对的磁铁，当磁力大于簧片的弹力时两者紧密地接触．三、温度传感器1．热双金属片温度传感器：将两种__________相差较大的不同金属片焊接或轧制为一体后，温度升高时，由于两面金属膨胀程度______，双金属片就会______．磁场铁磁体簧片膨胀系数不同变形2．热电阻传感器(1)定义：用金属丝制作的______电阻叫做热电阻．(2)金属的电阻R与温度t的关系是：R＝R0(1＋θt)．(3)作用：测___和测______．3．热敏电阻传感器：热敏电阻是用________材料制成的，其电阻值随温度变化明显，NTC热敏电阻(负温度系数)的阻值，随温度升高而______，PTC热敏电阻的阻值随温度升高而______．感温温流量半导体减小增大四、光传感器1．定义：光电传感器是一种能够感受________，并按照一定规律把________转换成________的器件或装置．2．应用：(1)光电式____________．(2)光电式________．光信号光信号电信号烟尘浓度计转速表传感器的工作原理传感器感受的通常是非电信息，而它输出的通常是电信息，不过这些输出信号往往是非常微弱的，一般需要经过放大后，再输送给控制系统产生各种控制动作．其工作过程如图所示．非电信息→敏感元件→转换元件→转换电路→电信息↑↑辅助电源1．非电信息：如位移、力、温度、光、声、化学成分、浓度、酸碱度等．2．敏感元件：是传感器的核心，相当于人的感觉器官，能直接感受被测量的非电信息并将其转换成与被测量的非电信息有一定关系的易于测量的物理量．3．转换元件：通常不能直接感受被测量的非电信息，而是将敏感元件输出的物理量转换为电信号输出．4．转换电路：将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电信息．5．电信息：如电压、电流、电阻等．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换为电学量的；(3)是如何显示或控制开关的．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断升降机运动状态的装置，其工作原理如图所示．将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动过程的某一段时间内，发现电流表的示数I不变，且I大于升降机静止时电流表的示数I0，在这段时间内()A．升降机可能匀减速下降B．升降机一定匀减速下降C．升降机可能匀加速下降D．升降机一定匀加速下降[思路点拨](1)压敏电阻的阻值随压力的增大而减小．(2)电流表、电阻R串联后再与压敏电阻并联．[解析]设升降机匀加速下降，则重力mg大于压力N，即压力N变小，压敏电阻阻值变大，R总增大，由I总＝ER总知I总变小，知U外＝E－I总r变大，电流表读数变大，升降机也可能匀减速上升，故A、B、D错误，C正确．[答案]C1.传感器是一种采集信息的重要器件，如图为用电容器作传感器来测定压力变化的电路，当待测压力作用于膜片电极上时，下列说法中正确的是()①若F向下压膜片电极，电路中有从a到b的电流②若F向下压膜片电极，电路中有从b到a的电流③若F向下压膜片电极，电路中不会有电流产生④若电流表有示数，说明压力F发生变化⑤若电流表有示数，说明压力F不会发生变化A．②④B．①④C．③⑤D．①⑤解析：选A.当向下压时，因为C∝εSd，d减小，C增大．在U不变时，因为C＝QU，Q增多，从b向a有电流流过．若电流表有示数，说明Q变化，C变化，则说明压力F变化．探究热敏电阻的温度特性曲线1．实验设计(1)用万用电表的电阻挡直接测量热敏电阻随温度的变化特性，方法简便，误差大．(2)伏安法测量热敏电阻的温度特性曲线．2．采用伏安法测量(1)器材：电压表、电流表、电源、滑动变阻器、固定电阻、热敏电阻、开关和导线若干；温度计、水槽、电加热装置和开水冷水各一份．(2)原理：采用水浴法改变热敏电阻的温度(如图甲)用伏安法测量电阻(如图乙)．甲乙(3)测量步骤：将热敏电阻用塑料薄膜包裹一层，防止水浴时电阻的引线与水接触，连接好如图乙所示电路．将水槽里的水兑成10℃，将热敏电阻放入水中，稍等片刻，闭合开关，读出电压表、电流表、温度计的示数．将水温兑成20℃、30℃、40℃、50℃…90℃，各测量一次，计算出各温度下对应的电阻．(4)设计表格，将上述方法取得的数据填入表格．(5)数据处理，在坐标纸上做出R－t图像．3．热敏电阻的R－t图像热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：(1)正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度升高而增大．(2)负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度升高而减小．(3)临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧下降．这三类热敏材料电阻率的温度特性曲线如图所示．可见，PTC和CTC型热敏电阻在一定的温度范围内，阻值随温度急剧变化，常用作开关元件，NTC型热敏电阻的阻值随温度升高而减小．尤其要注意的是在温度测量中使用最多的就是NTC型热敏电阻，我们常说的热敏电阻也是指这一类．要注意区别热敏电阻和金属热电阻，热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，温度升高电阻减小；而金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻．热敏电阻的灵敏性好，但化学稳定性较差；金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏性较差．(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()A．电容器C的带电量增大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．R1消耗的功率增大[思路点拨]环境温度降低时，此热敏电阻的阻值增大，以此为出发点再逐一分析其他量的变化．[解析]当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝U2d，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．[答案]AB热敏电阻的特性要注意热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，正温度系数的热敏电阻(PTC)其阻值随温度的升高而增大．2.(多选)如图是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的值．实验中观察到当温度升高时灯更亮，对实验现象分析正确的有()A．温度升高，电路中的电流减小B．温度升高，电路中的电流增大C．温度升高，热敏电阻的阻值增大D．温度升高，热敏电阻的阻值减小解析：选BD.当温度升高时，电路中的热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的电流增大，导致灯泡变亮，故选B、D.光敏电阻、金属热电阻的特性1．光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．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．不受光照射时的电阻阻值是受光照射时的100～1000倍．2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器．热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好．命题视角1含光敏电阻电路的分析(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时()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．电路的路端电压增大[思路点拨]对于闭合电路欧姆定律动态分析问题，要把握住分析顺序，先分析总电阻，再分析总电流，然后分析电源内电压，最后分析外电压和支路电压．[解析]当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C正确．[答案]ABC光敏电阻将光照变化转化为电阻变化，通过电路将电阻变化以电流或电压的形式输出，传感器问题变成了直流电路的动态分析问题．命题视角2含金属热电阻电路的分析如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)()A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化非常明显D．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化不明显[解析]金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻的阻值随温度的升高电阻减小，且灵敏度高，故选项C正确．[答案]C3.(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()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解析：选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．