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1传感器2温度传感器和光传感器[课标解读]1.知道传感器的概念、结构及工作原理.2.了解传感器的分类情况及热敏电阻的特性.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．01课前自主梳理02课堂合作探究03课后巩固提升课时作业一、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――→电信息非电电敏感元件处理电路(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．(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．易于测量放大电学量3．敏感元件的原理(1)敏感元件就其感知外界信息的原理而言可分为三类：①类；②化学类；③生物类．(2)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．(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．物理半导体温度磁场铁磁体簧片[思考]火灾探测器的核心元件为气敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号．此时传感器是将什么量进行转化的？提示：传感器是将烟雾产生的光学量转化为电学量使电路接通，从而对外发出声光报警信号．二、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成为一体后，温度升高时，由于两面金属膨胀程度，双金属片就会．2．热电阻传感器(1)定义：用金属丝制作的电阻．(2)金属的电阻R与温度t的关系是R＝R0(1＋θt)．(3)作用：测和测流量．膨胀系数不同变形感温温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．半导体减小增大[思考]热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而下降？提示：不是．正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小．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，实现向电信号的转化．2．作用感知的变化或场景的变换，使“机器”作出反应．光信号光线3．应用(1)光电式烟尘浓度计1．2.聚光透镜3.半透半反镜4.反射镜5．6、7.光电转换电路8.运算电路9．显示器光源被测烟尘(2)光电式转速表1．光源2、5.透镜3.4.反光纸6.7.遮光罩8.放大、整形电路9.频率计电路10.显示器被测旋转物光敏二极管[思考]街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性可以制成自动点亮、熄灭的装置，从而实现自动控制．想一下，这是利用了半导体的什么性质呢？提示：光敏特性．要点一传感器的工作原理1．传感器的组成(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的．(2)转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件．(3)转换电路：是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等．2．传感器的原理传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作．3．传感器的工作流程[例1]演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属杆P，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x.假设电压表是理想的，则下列说法正确的是()A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化C．物体M运动时，电路中没有电流D．物体M不动时，电压表没有示数[解析]滑杆P相当于分压器，电压表所测为滑片左边电阻的电压，由于物体M和滑杆P相连，当物体M在导轨上平移时，滑杆P也跟着左右移动，根据串联电路的分压原理，则电压表示数也随之变化，故B正确．而电阻与电源串联的电路中，电阻不变，则电路中电流不变，故电源电流也不变，而对于电压表，无论物体M是否移动，只要与电压表并联部分的电阻不为零，电压表均有示数．[答案]B(1)各类传感器工作原理虽不完全相同，但都是把非电学量转换为电学量．(2)传感器输出的电学量有电流、电压及电路通断等多种形式．(3)解此类问题的基本思路：分析电路结构→研究电阻的变化→判断(计算)电流、电压的变化．1.传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器．金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是()①C增大表示h增大②C增大表示h减小③C减小表示h减小④C减小表示h增大A．只有①正确B．只有①③正确C．只有②正确D．只有②④正确解析：液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化．当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确．答案：B2．(多选)传感器是一种采集信息的重要器件．图示是一种测定压力大小的电容式传感器示意图．当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化．将电容器、灵敏电流表和电源串联成闭合电路，则()A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流表有示数，则压力F发生了变化D．若电流表有示数，则压力F没有发生变化解析：当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，A错误，B正确；电流表有示数，则电容发生了变化，即压力F发生了变化，C正确，D错误．答案：BC工作原理不同的三类传感器分类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压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、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息酶传感器、组织传感器、细胞传感器等要点二探究热敏电阻的温度特性曲线1．实验设计(1)用多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，在坐标纸上作出Rt图像．3．热敏电阻的Rt图像(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．这两类热敏材料电阻率的温度特性曲线如图所示．可见，PTC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．[例2]温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的．在图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度变化关系如图乙的Rt图线所示．闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1＝2mA，则当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？[解析]从图乙查得t＝20℃时R的阻值为4kΩ，由E＝I1(R＋Rg)得Rg＝EI1－R，代入数据得Rg＝0.5kΩ.当I2＝3.6mA时，热敏电阻的阻值为R′，则R′＝EI2－Rg，代入数据得R′＝2kΩ，从图乙查得此时对应的温度为t2＝120℃.[答案]120℃连接在电路中的热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，从而对电路产生影响，解决这类问题的方法是：(1)明确热敏电阻的阻值随温度的变化情况．(2)结合热敏电阻阻值的变化，利用闭合电路的欧姆定律及串、并联电路的特点等进行分析及计算．1.如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用NTC半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器，当传感器R2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()A．I变大，U变大B．I变小，U变小C．I变小，U变大D．I变大，U变小解析：当R2处出现火情时，NTC热敏材料制成的传感器的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的总电流增大，外电路电压将减小，即U减小；R1上的电压增大，显示器两端的电压将减小，电流I减小，B正确．答案：B2.如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时()A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱解析：R2与小灯泡L并联后与R1串联，并与电源构成闭合电路．当温度降低时，热敏电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表的读数减小，R1两端的电压减小，小灯泡L两端的电压增大，小灯泡的亮度变强，故C正确．答案：C要点三光电传感器的原理及光敏电阻1．光电传感器：是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置．2．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．3．半导体的导电机理：以半导体材料硅为例说明半导体的导电机理，如图所示是硅原子排列示意图，每个原子的最外层有4个电子．由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子．这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”．空穴相当于一个正电荷．当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动．如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流．自由电子和空穴都叫做载流子．4．光敏电阻的特性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．[例3]如图甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定．电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光亮度逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性用图丙中给定的器材设计一个自动光控电路．[思路点拨]解答本题应注意以下三点：(1)此传感器的敏感元件为光敏电阻．(2)通过信号放大器将信号放大来控制电路．(3)利用电磁继电器实现电路的开关控制电路．[解析]由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，通过光敏电阻的电流增大．根据题意设计的自动光控电路如图所示．控制过程是：当有光照射时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开，当无光照射时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制电路接通，灯开始工作．[答案]见解析1．(多选)如图所示，电源的电动势为E、内阻为r、R1、R2