人教版 (2019)选择性必修 第二册2 常见传感器的工作原理及应用学案

2.常见传感器的工作原理及应用

学习目标：1.[科学态度与责任]了解光敏电阻工作原理及作用。　2.[科学态度与责任]了解热敏电阻和金属热电阻工作原理及作用。　3.[科学态度与责任]了解电阻应变片在电子秤上的应用。　4.[科学态度与责任]了解电容在传感器中应用。

一、光敏电阻

1．特点：光照越强，电阻越小。

2．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

二、热敏电阻和金属热电阻

1．热敏电阻

热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。

甲　　　　　　乙

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，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。

3．热敏电阻与金属热电阻的区别

4.注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。

三、力传感器的应用——电子秤

1．组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片。

2．工作原理：

3．作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。 (×)

(2)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 (×)

(3)干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的。 (×)

(4)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。 (√ )

(5)热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏。 (×)

2. (多选)利用半导体材料可以制成(　　)

A． 标准电阻

B． 热敏电阻

C． 光敏电阻

D． 温度报警器

BCD　[标准电阻的电阻值几乎不随温度的变化而变化，采用合金材料制成，A错误；热敏电阻中有电阻随温度升高而降低的特点，采用半导体材料制造，B正确；光敏电阻的电阻值随着光强的增加而减小，采用半导体制造，C正确；可以采用半导体材料制造简单的温度报警器，D正确。]

3．某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图所示的装置。向杯内加入冷水，温度计的示数为20 ℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1。然后向杯内加入热水，温度计的示数为60 ℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是(　　)

A．多用电表应选用电流挡，温度升高换用大量程测量

B．多用电表应选用电流挡，温度升高换用小量程测量

C．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡

D．多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡

D　[测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时，热敏电阻受温度变化的影响，偏转角度增大，说明电阻阻值变小，所以应换用倍率小的挡。]

1．光敏电阻的导电特性

光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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，于是导电性能明显增强。

2．热敏电阻和金属热电阻的特点

(1)热敏电阻：用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图①所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图②所示，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。

[特别提醒]

按热敏电阻随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。

【例1】　传感器已广泛应用在生产、生活中，下列关于传感器的说法正确的是(　　)

A．火警报警器使用了压力传感器

B．冰箱控温系统使用了温度传感器

C．商场里的自动门使用了光传感器

D．夜间自动打开的路灯使用了温度传感器

B　[火警报警器使用了温度传感器，故A错误；冰箱控温系统使用了温度传感器，故B正确；一般人体都有恒定的体温，一般在37 ℃，所以会发出特定波长10 μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10 μm左右的红外线而进行工作的。人走向门口时，门会自动打开，是因为安装了红外线传感器，从而能感知红外线，导致门被打开，故C错误；灯要求夜晚亮、白天熄，而白天有光，黑夜没有光，则是由光导致电路的电流变化，所以电路中光传感器导致电阻变化，实现自动控制，因此是利用半导体的光敏性，即为光电传感器，故D错误。]

传感器问题中的电路动态分析的四点注意

(1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化。

(2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。

(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。

(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。

1．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，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

C　[R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有C正确。]

1．电容器的电容决定于极板间的正对面积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，这种电容器称为电容式传感器。

2．常见电容式传感器

【例2】　如图所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)(　　)

A．向右偏到某一刻度后回到零刻度

B．向左偏到某一刻度后回到零刻度

C．向右偏到某一刻度后不动

D．向左偏到某一刻度后不动

思路点拨：根据电容的公式C＝和C＝，按以下思路进行分析。

A　[压力F作用时，极板间距d变小，由C＝，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏。F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度。故选A。]

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，关键要搞清是哪个非电学量转换为电容，然后结合电容的决定式来分析。

2.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①、③正确

C．只有②正确   D．只有②、④正确

B　[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。]

1．有一电学元件，温度升高时其电阻减小，这种元件可能是(　　)

A．金属导体　　　　 B．光敏电阻

C．NTC热敏电阻   D．PTC热敏电阻

C　[金属导体电阻值一般随温度升高而增大，光敏电阻电阻值是随光照强度的增大而减小，PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，只有NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，C正确，A、B、D错误．]

2．关于光敏电阻和热敏电阻，下列说法中正确的是(　　)

A．光敏电阻是用半导体材料制成的，其阻值随光照增强而减小，随光照的减弱而增大

B．光敏电阻是能把光照强度这个光学量转换为电流这个电学量的传感器

C．热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度感知很灵敏

D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量的传感器

A　[光敏电阻是把光强转换为电阻的元件；热敏电阻是把温度转换为电阻的元件，故B、D错误；热敏电阻和光敏电阻都是半导体材料制成的，半导体具有光敏性和热敏性，金属铂与热敏电阻的阻值随温度的变化趋势相反，故C错误。]

3．(多选)有定值电压、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是(　　)

A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻

B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化的一定是定值电阻

C．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻

D．用黑纸包住与不用黑纸包住相比，欧姆表示数相同的一定是定值电阻

AC　[热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化，故A正确，B错误；光敏电阻的阻值随光照的变化而变化，而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化，故C正确，D错误。]

4．(多选)如图为电阻R随温度T变化的图线。下列说法中正确的是(　　)

A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的

B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的

C．图线1对应的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高

D．图线2对应的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高

BD　[金属热电阻的阻值随温度升高而增大，半导体材料的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，所以A错误，B正确；图线1对应的材料化学稳定性好但灵敏度低，图线2对应的材料化学稳定性差但灵敏度高，所以C错误，D正确。]

5．(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　)

A．应变片是由导体材料制成

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，输出的电压值也越大

BD　[应变片多用半导体材料制成，故选项A错误；当应变片拉伸时，其电阻变大，选项B正确；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，输出的电压差值越大，故选项C错误，选项D正确。]