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高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器1 认识传感器学案设计
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这是一份高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册第五章 传感器1 认识传感器学案设计，共19页。
知识点一 认识传感器
1．传感器：把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信号的器件或装置。
2．生活中常见的传感器
(1)自动门：门的上方装有红外线传感器。
(2)楼道的声控开关：楼道中安装有声传感器。
(3)自动水龙头：水龙头旁边装有红外线传感器。
3．传感器的结构
(1)组成：通常由敏感元件、转换元件组成，有时也将信号调节转换电路和辅助电源作为传感器的组成部分。
(2)常见敏感元件：力敏元件、光敏元件、热敏元件、磁敏元件、气敏元件等。
(3)转换元件的作用：将敏感元件输出的物理量转换成电学量。
(4)信号调节转换电路的作用：将转换元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量。
4．传感器的分类：按感知外界信息及变换效应的不同可将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
楼道灯是通过什么传感器控制的？
提示：是利用光传感器和声传感器控制的。
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)传感器只能感受温度和光两个物理量。(×)
(2)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(×)
(3)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。(√)
知识点二 常见传感器的工作原理
1．温度传感器
(1)热敏电阻温度传感器
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度灵敏变化，可分为阻值随温度升高而减小的负温度系数热敏电阻(NTC)和阻值随温度升高而增大的正温度系数热敏电阻(PTC)。
(2)热电阻温度传感器
用金属丝制作而成，阻值随温度的升高而变大，可用于测温和测量流体的流量等。
(3)热双金属片温度传感器
双金属片在温度变化时由于“膨胀系数”不同而产生的形变不同，可用来控制电路的通断，常用在温度控制装置中。
2．光传感器
(1)材料：金属或半导体。
(2)信号转换：光信号转化为电信号(电流、电压)。
(3)常见应用
①自动门和自动水龙头利用了红外线传感器；在环境监测、火灾报警等装置中通常利用光传感器监测烟尘浓度。
②测量机械转速时利用到光传感器——光电式转速表。
3．力传感器
(1)装置作用：把力学量转换为电学量。
(2)敏感元件：应变片。
(3)信号输出：电压差。
(4)工作原理：
金属梁自由端受力⇒金属梁发生弯曲⇒应变片的电阻变化⇒两应变片上电压的差值变化
(5)常见应用：电子秤。
力传感器不仅可以测量压力，也可以测量拉力。
2：思考辨析(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)热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏。(×)
(3)电子秤是应用了力传感器。(√)
干簧管结构：玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。将干簧管接入下图电路中，当磁铁靠近干簧管时，会发生什么现象，为什么？干簧管的作用是什么？
提示：灯泡会亮 开关
考点1 对传感器的认识
1．传感器的核心元件
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。
(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量。
(3)信号调节转换电路：是将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。
2．传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示：
非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
3．分类
【典例1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量等)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制了一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间(其中R′≫R)，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)。
[解析] 由题图可知，当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大。
[答案] b、c 增大
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
[跟进训练]
1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动的过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是( )
甲 乙
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
D [在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B错误；在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确。]
考点2 对敏感元件的认识
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．(1)实验器材：热敏电阻、多用电表、烧杯(备用冷、热水)、温度计、铁架台。
(2)实验步骤
①如图所示，将一热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻，记录温度、电阻值。
②将热敏电阻放入装有少量冷水并插有温度计的烧杯中，记录温度、电阻值。
③再分几次向烧杯中倒入热水观察不同温度下热敏电阻的阻值。
把测量到的温度、电阻值填入表中。
④在图中，粗略描绘出热敏电阻的阻值R随t变化的R-t图线。
3．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。如曲线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，如曲线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。
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。
【典例2】 许多牛奶制品被检测出含有化学原料三聚氰胺。在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，这种检测方法使用的传感器应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器 B．化学传感器
C．生物传感器 D．温度传感器
C [检测三聚氰胺的方法为酶标法，所以其原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器。选项C正确。]
[跟进训练]
2．如图所示，商店里使用的电子计价秤可将货物的质量、单价和金额清楚地显示在面板上，既方便了工作人员，又方便了顾客。电子计价秤使用的传感器是( )
A．红外线传感器 B．压力传感器
C．超声波传感器D．温度传感器
B [传感器能将温度、力、光、声音等非电学量转换为电学量，此处电子计价秤使用的传感器是压力传感器，将力学量转换成电学量，故B正确，A、C、D错误。]
1．下列说法正确的是( )
A．传感器将感受到的非电学量转换为电学量，或转换为电路的通断
B．传感器将感受到的电学量转换为非电学量
C．传感器只能将感受到的非电学量转换为电路的通断
D．以上说法都不对
A [传感器作为一种其他形式的信号与电信号之间的转换装置，能将非电学量按一定规律转换成电学量或者是电路的通断，故选项A正确，B、C、D错误。故选A。]
2．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为改变了( )
A．湿度B．温度
C．磁场D．电容
D [根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机时电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，手的靠近改变了电容大小，故D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作，它就成了室内烘干机。]
3．下列情况中，应用了温度传感器的是( )
A．商场里的自动玻璃门
B．夜间自动打开的路灯
C．夜间有声音时就亮的楼梯灯
D．自动恒温冰箱
D [商场里的自动玻璃门是应用了红外线传感器，A错误；夜间自动打开的路灯是利用了光传感器，B错误；夜间有声音时就亮的楼梯灯是利用了声音传感器，C错误；自动恒温冰箱是利用了温度传感器，D正确。]
4．如图甲所示，在光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照，那么R2两端的电压变化是下列图中的( )
甲 乙
A B C D
B [光敏电阻阻值随光照的增强而减小，根据题图乙知，R2两端的电压随之同频率先减小后增大，但不会是零，所以选B。]
回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)传感器由哪几部分组成？
提示：敏感元件、转换元件、转换电路。
(2)常见物理传感器有哪些？
提示：力传感器、磁传感器、声传感器等。
(3)光敏电阻把什么量转化为电阻？热敏电阻把什么量转化为电阻？力传感器把什么量转化为电阻？
提示：光照强度；温度；形变。
机器人传感器
1920年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小说中构思了一个机器人，名字叫Rbt。它可以不吃饭，却能不知疲倦地工作，展现了人类持续多年的一种愿望。
传感器在机器人身上应用很多。根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器：用来检测机器人本身状态(如手臂间角度)的传感器，多为检测位置和角度的传感器。外部传感器：用来检测机器人所处环境(如是什么物体，离物体的距离有多远等)及状况(如抓取的物体是否滑落)的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器等。
为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器等，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。
随着机器人技术的发展与进步，机器人变得越来越“聪明”，它们是否有一天会完全取代人类的工作？人类的前途是否堪忧？实际上，科技本身并没有好坏之分，是人类决定了如何去使用它。面对科技进步，人类应该衡量和思考，该如何运用这些技术才会对社会更有益，使世界变得更加美好。
要让机器人判断出是否有光，亮度多少，需要什么传感器？
提示：光敏管、光电断续器。
课时分层作业(十五) 认识传感器 常见传感器的工作原理
题组一 传感器的认识
1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( )
A．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
A [传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，传感器工作的一般流程为：非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。所以A正确，B、C、D错误。故选A。]
2．许多饮水机可以保证出水温度恒定，采取的方法是( )
A．水温低于设定温度时加热，达到设定温度时停止加热
B．设定程序，固定各次加温时间及加热时间间隔
C．人工控制加温按钮
D．持续加温
A [饮水机可以保证出水温度恒定，主要是内部应用了温度传感器，当水温低于设定温度时加热，达到设定温度时停止加热。故选A。]
3．智慧物流配送机器人能够识别红绿灯信号、规避道路障碍和来往车辆、主动礼让行人。机器人主动礼让行人，是利用了( )
A．力传感器 B．光传感器
C．温度传感器 D．声传感器
C [人体是有温度的，机器人主动礼让行人就是利用了温度传感器的原理，故C正确，A、B、D错误。]
4．关于传感器，下列说法正确的是( )
A．金属材料不可以制成传感器
B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号
C．传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的
D．所有传感器都是由半导体材料做成的
B [金属材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，故A错误；话筒使用了声音传感器，其作用是将声信号转换为电信号，故B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以C错误；传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，所以D错误。]
5．传感器在日常生活中有着广泛的应用，它的种类多种多样，其性能也各不相同。下列物品中用到了传感器的是( )
A．示波器B．真空冶炼炉
C．回旋加速器 D．火灾报警器
D [示波器用于研究带电粒子在电场中的偏转问题，没用到传感器，选项A错误；真空冶炼炉没用到传感器，选项B错误；回旋加速器用于研究带电粒子在电场及磁场中的运动问题，没用到传感器，选项C错误；火灾报警器用到了光传感器，选项D正确。故选D。]
题组二 对敏感元件的认识
6．楼道灯的声控开关，主要原理是将声音信号转换为电信号，下列常见的数码产品中应用了这种传感器技术的是( )
A．收音机B．话筒
C．扬声器D．耳机
B [收音机是将电信号转化为声音，故A错误；话筒将声信号转化为电信号，故B正确；扬声器将电信号转化为声音，故C错误；耳机将电信号转化为声音，故D错误。]
7．如图所示，电吉他的弦是磁性物质，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，下列说法正确的是( )
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料，原理不变
C [由电吉他的发声原理可知电吉他是将声音变化转变为电流的变化，选项C正确，A、B、D错误。]
8．下列器件是应用力传感器的是( )
A．鼠标器B．火灾报警器
C．测温仪D．电子秤
D [鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；火灾报警器中的传感器是光电三极管，属于光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，D正确。]
9．用遥控器调换电视机频道的过程实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程，下列属于这类传感器的是( )
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
A [红外报警器是当有人或物通过时，将红外线遮住，从而使得光信号被遮住，光电效应装置无电流通过，红外报警器则通过另外的装置联系一定的动作，是将光信号转换为电信号的过程，则A选项正确；而B选项是将声音信号转换为电信号的过程；C选项是利用压力来传递信息的过程；D选项则通过温度来控制过程。]
10．电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比。现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图所示。压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压。若发现电压表示数增大，下列说法正确的是( )
A．电梯一定加速上升
B．电梯一定减速下降
C．电梯加速度一定向上
D．电梯加速度一定向下
C [电压表示数增大说明人对地板的压力变大，对人受力分析知，地板对人的支持力大于人所受重力，即人的加速度一定向上，所以电梯可能向上加速，也可能向下减速。]
11．图甲是一火警报警装置的一部分电路，其中R2是半导体热敏电阻(传感器)，它的电阻R随温度t的变化关系如图乙所示，该电路的输出端a、b接报警器。当传感器所在处出现火情时，通过电流表的电流I和a、b两端的电压U与出现火情前相比( )
甲 乙
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
D [当传感器所在处出现火情时，温度升高，R2的阻值减小，故外电阻减小，干路电流增大，内电压、R4两端的电压均增大，故a、b两端电压减小；内电压、R4两端电压、R1两端电压均增大，故并联电路的电压减小，通过R3的电流减小，而总电流增大，所以R2上通过的电流增大，故D选项正确。]
12．(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况。如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光。每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2m，则下述说法正确的是( )
甲 乙
A．传送带运动的速度是0.1m/s
B．传送带运动的速度是0.2m/s
C．该传送带每小时输送3600个工件
D．该传送带每小时输送7200个工件
BC [有工件通过时，挡住A射向光传感器B的光，B的电阻增大，输出一个高电压，故知两相邻工件通过的时间间隔t＝1s，传送带的速度v＝0.21m/s＝0.2m/s，每小时传送工件3600个。]
13．如图所示，甲图是录音机的录音电路原理图，乙图是研究自感现象的实验电路图，丙图是光电传感的火灾报警器的部分电路图，丁图是电容式话筒的电路原理图，下列说法错误的是( )
甲 乙
丙 丁
A．甲图中录音机录音时，由于话筒的声电转换，线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
B．乙图电路中，开关断开瞬间，灯泡会突然闪亮一下，并在开关处产生电火花
C．丙图电路中，当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，表现出电阻的变化
D．丁图电路中，当声波使膜片振动时，电容发生变化，会在电路中产生变化的电流
B [磁带录音机的录音原理是：录音时，将电信号转换为磁信号，故A正确；题图乙电路中，开关断开瞬间，灯泡立即熄灭，故B错误；光电三极管也是一种晶体管，它有三个电极，当光照强弱变化时，电极之间的电阻会随之变化。当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，表现出电阻的变化，故C正确；电容式话筒利用振膜接受空气振动信号，振膜与固定的平面电极之间形成一个电容器，两者之间的距离变化会导致其电容的变化，在电容器两端施加固定频率及大小的电压，通过电容器的电流就会变化，故D正确。本题选错误的，故选B。]
14．如图所示的装置可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度。当系统绕轴OO′转动时，元件A在光滑竿上发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、航天器等的制导系统的信息源。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k，自由长度为l，电源的电动势为E、内阻不计，滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀。系统静止时，滑片P在B点，当系统以角速度ω转动时，试写出输出电压U与ω的函数关系式。
[解析] 设弹簧伸长x，则kx＝mω2(l＋x)
所以x＝mω2lk-mω2
因为滑动变阻器的电阻分布均匀，所以
U＝Exl
所以U＝Emω2k-mω2。
[答案] U＝Emω2k-mω2学习任务
1．了解传感器的定义，感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。
2．了解光敏电阻的工作原理及作用；了解热敏电阻和金属热电阻的工作原理及作用。
3．了解电阻应变片在电子秤上的应用；了解电容在传感器中的应用。
4．知道将非电学量转化为电学量的意义。
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
压力传感器、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号
酶传感器、组织传感器、细胞传感器等
次数
1
2
3
4
5
t/℃
R/Ω
知识点一 认识传感器
1．传感器：把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信号的器件或装置。
2．生活中常见的传感器
(1)自动门：门的上方装有红外线传感器。
(2)楼道的声控开关：楼道中安装有声传感器。
(3)自动水龙头：水龙头旁边装有红外线传感器。
3．传感器的结构
(1)组成：通常由敏感元件、转换元件组成，有时也将信号调节转换电路和辅助电源作为传感器的组成部分。
(2)常见敏感元件：力敏元件、光敏元件、热敏元件、磁敏元件、气敏元件等。
(3)转换元件的作用：将敏感元件输出的物理量转换成电学量。
(4)信号调节转换电路的作用：将转换元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量。
4．传感器的分类：按感知外界信息及变换效应的不同可将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
楼道灯是通过什么传感器控制的？
提示：是利用光传感器和声传感器控制的。
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)传感器只能感受温度和光两个物理量。(×)
(2)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。(×)
(3)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。(√)
知识点二 常见传感器的工作原理
1．温度传感器
(1)热敏电阻温度传感器
热敏电阻由半导体材料制成，其电阻随温度灵敏变化，可分为阻值随温度升高而减小的负温度系数热敏电阻(NTC)和阻值随温度升高而增大的正温度系数热敏电阻(PTC)。
(2)热电阻温度传感器
用金属丝制作而成，阻值随温度的升高而变大，可用于测温和测量流体的流量等。
(3)热双金属片温度传感器
双金属片在温度变化时由于“膨胀系数”不同而产生的形变不同，可用来控制电路的通断，常用在温度控制装置中。
2．光传感器
(1)材料：金属或半导体。
(2)信号转换：光信号转化为电信号(电流、电压)。
(3)常见应用
①自动门和自动水龙头利用了红外线传感器；在环境监测、火灾报警等装置中通常利用光传感器监测烟尘浓度。
②测量机械转速时利用到光传感器——光电式转速表。
3．力传感器
(1)装置作用：把力学量转换为电学量。
(2)敏感元件：应变片。
(3)信号输出：电压差。
(4)工作原理：
金属梁自由端受力⇒金属梁发生弯曲⇒应变片的电阻变化⇒两应变片上电压的差值变化
(5)常见应用：电子秤。
力传感器不仅可以测量压力，也可以测量拉力。
2：思考辨析(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)热敏电阻是由金属制成的，对温度感知灵敏。(×)
(3)电子秤是应用了力传感器。(√)
干簧管结构：玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。将干簧管接入下图电路中，当磁铁靠近干簧管时，会发生什么现象，为什么？干簧管的作用是什么？
提示：灯泡会亮 开关
考点1 对传感器的认识
1．传感器的核心元件
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。
(2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量。
(3)信号调节转换电路：是将转换元件输出的电信号转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。
2．传感器的工作原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示：
非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
3．分类
【典例1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量等)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一，为模仿汽车油表原理，某同学自制了一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示，其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间(其中R′≫R)，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)。
[解析] 由题图可知，当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′≫R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在b、c两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大。
[答案] b、c 增大
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
[跟进训练]
1．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动的过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是( )
甲 乙
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
D [在0～t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1～t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B错误；在t2～t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确。]
考点2 对敏感元件的认识
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．(1)实验器材：热敏电阻、多用电表、烧杯(备用冷、热水)、温度计、铁架台。
(2)实验步骤
①如图所示，将一热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻，记录温度、电阻值。
②将热敏电阻放入装有少量冷水并插有温度计的烧杯中，记录温度、电阻值。
③再分几次向烧杯中倒入热水观察不同温度下热敏电阻的阻值。
把测量到的温度、电阻值填入表中。
④在图中，粗略描绘出热敏电阻的阻值R随t变化的R-t图线。
3．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。如曲线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，如曲线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。
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。
【典例2】 许多牛奶制品被检测出含有化学原料三聚氰胺。在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法检测”，这种检测方法使用的传感器应为传感器中的哪一类( )
A．物理传感器 B．化学传感器
C．生物传感器 D．温度传感器
C [检测三聚氰胺的方法为酶标法，所以其原理应该是利用了生物酶，故应为生物传感器。选项C正确。]
[跟进训练]
2．如图所示，商店里使用的电子计价秤可将货物的质量、单价和金额清楚地显示在面板上，既方便了工作人员，又方便了顾客。电子计价秤使用的传感器是( )
A．红外线传感器 B．压力传感器
C．超声波传感器D．温度传感器
B [传感器能将温度、力、光、声音等非电学量转换为电学量，此处电子计价秤使用的传感器是压力传感器，将力学量转换成电学量，故B正确，A、C、D错误。]
1．下列说法正确的是( )
A．传感器将感受到的非电学量转换为电学量，或转换为电路的通断
B．传感器将感受到的电学量转换为非电学量
C．传感器只能将感受到的非电学量转换为电路的通断
D．以上说法都不对
A [传感器作为一种其他形式的信号与电信号之间的转换装置，能将非电学量按一定规律转换成电学量或者是电路的通断，故选项A正确，B、C、D错误。故选A。]
2．有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为改变了( )
A．湿度B．温度
C．磁场D．电容
D [根据自动干手机工作的特征，手靠近干手机时电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器。手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，手的靠近改变了电容大小，故D正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化工作，它就成了室内烘干机。]
3．下列情况中，应用了温度传感器的是( )
A．商场里的自动玻璃门
B．夜间自动打开的路灯
C．夜间有声音时就亮的楼梯灯
D．自动恒温冰箱
D [商场里的自动玻璃门是应用了红外线传感器，A错误；夜间自动打开的路灯是利用了光传感器，B错误；夜间有声音时就亮的楼梯灯是利用了声音传感器，C错误；自动恒温冰箱是利用了温度传感器，D正确。]
4．如图甲所示，在光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照，那么R2两端的电压变化是下列图中的( )
甲 乙
A B C D
B [光敏电阻阻值随光照的增强而减小，根据题图乙知，R2两端的电压随之同频率先减小后增大，但不会是零，所以选B。]
回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)传感器由哪几部分组成？
提示：敏感元件、转换元件、转换电路。
(2)常见物理传感器有哪些？
提示：力传感器、磁传感器、声传感器等。
(3)光敏电阻把什么量转化为电阻？热敏电阻把什么量转化为电阻？力传感器把什么量转化为电阻？
提示：光照强度；温度；形变。
机器人传感器
1920年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小说中构思了一个机器人，名字叫Rbt。它可以不吃饭，却能不知疲倦地工作，展现了人类持续多年的一种愿望。
传感器在机器人身上应用很多。根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器：用来检测机器人本身状态(如手臂间角度)的传感器，多为检测位置和角度的传感器。外部传感器：用来检测机器人所处环境(如是什么物体，离物体的距离有多远等)及状况(如抓取的物体是否滑落)的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器等。
为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器等，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。
随着机器人技术的发展与进步，机器人变得越来越“聪明”，它们是否有一天会完全取代人类的工作？人类的前途是否堪忧？实际上，科技本身并没有好坏之分，是人类决定了如何去使用它。面对科技进步，人类应该衡量和思考，该如何运用这些技术才会对社会更有益，使世界变得更加美好。
要让机器人判断出是否有光，亮度多少，需要什么传感器？
提示：光敏管、光电断续器。
课时分层作业(十五) 认识传感器 常见传感器的工作原理
题组一 传感器的认识
1．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是( )
A．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
A [传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，传感器工作的一般流程为：非电学量被敏感元件感知，然后通过转换元件转换成电信号，再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。所以A正确，B、C、D错误。故选A。]
2．许多饮水机可以保证出水温度恒定，采取的方法是( )
A．水温低于设定温度时加热，达到设定温度时停止加热
B．设定程序，固定各次加温时间及加热时间间隔
C．人工控制加温按钮
D．持续加温
A [饮水机可以保证出水温度恒定，主要是内部应用了温度传感器，当水温低于设定温度时加热，达到设定温度时停止加热。故选A。]
3．智慧物流配送机器人能够识别红绿灯信号、规避道路障碍和来往车辆、主动礼让行人。机器人主动礼让行人，是利用了( )
A．力传感器 B．光传感器
C．温度传感器 D．声传感器
C [人体是有温度的，机器人主动礼让行人就是利用了温度传感器的原理，故C正确，A、B、D错误。]
4．关于传感器，下列说法正确的是( )
A．金属材料不可以制成传感器
B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号
C．传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的
D．所有传感器都是由半导体材料做成的
B [金属材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，故A错误；话筒使用了声音传感器，其作用是将声信号转换为电信号，故B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以C错误；传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，所以D错误。]
5．传感器在日常生活中有着广泛的应用，它的种类多种多样，其性能也各不相同。下列物品中用到了传感器的是( )
A．示波器B．真空冶炼炉
C．回旋加速器 D．火灾报警器
D [示波器用于研究带电粒子在电场中的偏转问题，没用到传感器，选项A错误；真空冶炼炉没用到传感器，选项B错误；回旋加速器用于研究带电粒子在电场及磁场中的运动问题，没用到传感器，选项C错误；火灾报警器用到了光传感器，选项D正确。故选D。]
题组二 对敏感元件的认识
6．楼道灯的声控开关，主要原理是将声音信号转换为电信号，下列常见的数码产品中应用了这种传感器技术的是( )
A．收音机B．话筒
C．扬声器D．耳机
B [收音机是将电信号转化为声音，故A错误；话筒将声信号转化为电信号，故B正确；扬声器将电信号转化为声音，故C错误；耳机将电信号转化为声音，故D错误。]
7．如图所示，电吉他的弦是磁性物质，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，下列说法正确的是( )
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料，原理不变
C [由电吉他的发声原理可知电吉他是将声音变化转变为电流的变化，选项C正确，A、B、D错误。]
8．下列器件是应用力传感器的是( )
A．鼠标器B．火灾报警器
C．测温仪D．电子秤
D [鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；火灾报警器中的传感器是光电三极管，属于光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，D正确。]
9．用遥控器调换电视机频道的过程实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程，下列属于这类传感器的是( )
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
A [红外报警器是当有人或物通过时，将红外线遮住，从而使得光信号被遮住，光电效应装置无电流通过，红外报警器则通过另外的装置联系一定的动作，是将光信号转换为电信号的过程，则A选项正确；而B选项是将声音信号转换为电信号的过程；C选项是利用压力来传递信息的过程；D选项则通过温度来控制过程。]
10．电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比。现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图所示。压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压。若发现电压表示数增大，下列说法正确的是( )
A．电梯一定加速上升
B．电梯一定减速下降
C．电梯加速度一定向上
D．电梯加速度一定向下
C [电压表示数增大说明人对地板的压力变大，对人受力分析知，地板对人的支持力大于人所受重力，即人的加速度一定向上，所以电梯可能向上加速，也可能向下减速。]
11．图甲是一火警报警装置的一部分电路，其中R2是半导体热敏电阻(传感器)，它的电阻R随温度t的变化关系如图乙所示，该电路的输出端a、b接报警器。当传感器所在处出现火情时，通过电流表的电流I和a、b两端的电压U与出现火情前相比( )
甲 乙
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
D [当传感器所在处出现火情时，温度升高，R2的阻值减小，故外电阻减小，干路电流增大，内电压、R4两端的电压均增大，故a、b两端电压减小；内电压、R4两端电压、R1两端电压均增大，故并联电路的电压减小，通过R3的电流减小，而总电流增大，所以R2上通过的电流增大，故D选项正确。]
12．(多选)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况。如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光。每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2m，则下述说法正确的是( )
甲 乙
A．传送带运动的速度是0.1m/s
B．传送带运动的速度是0.2m/s
C．该传送带每小时输送3600个工件
D．该传送带每小时输送7200个工件
BC [有工件通过时，挡住A射向光传感器B的光，B的电阻增大，输出一个高电压，故知两相邻工件通过的时间间隔t＝1s，传送带的速度v＝0.21m/s＝0.2m/s，每小时传送工件3600个。]
13．如图所示，甲图是录音机的录音电路原理图，乙图是研究自感现象的实验电路图，丙图是光电传感的火灾报警器的部分电路图，丁图是电容式话筒的电路原理图，下列说法错误的是( )
甲 乙
丙 丁
A．甲图中录音机录音时，由于话筒的声电转换，线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
B．乙图电路中，开关断开瞬间，灯泡会突然闪亮一下，并在开关处产生电火花
C．丙图电路中，当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，表现出电阻的变化
D．丁图电路中，当声波使膜片振动时，电容发生变化，会在电路中产生变化的电流
B [磁带录音机的录音原理是：录音时，将电信号转换为磁信号，故A正确；题图乙电路中，开关断开瞬间，灯泡立即熄灭，故B错误；光电三极管也是一种晶体管，它有三个电极，当光照强弱变化时，电极之间的电阻会随之变化。当有烟雾进入罩内时，光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射，表现出电阻的变化，故C正确；电容式话筒利用振膜接受空气振动信号，振膜与固定的平面电极之间形成一个电容器，两者之间的距离变化会导致其电容的变化，在电容器两端施加固定频率及大小的电压，通过电容器的电流就会变化，故D正确。本题选错误的，故选B。]
14．如图所示的装置可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度。当系统绕轴OO′转动时，元件A在光滑竿上发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、航天器等的制导系统的信息源。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k，自由长度为l，电源的电动势为E、内阻不计，滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀。系统静止时，滑片P在B点，当系统以角速度ω转动时，试写出输出电压U与ω的函数关系式。
[解析] 设弹簧伸长x，则kx＝mω2(l＋x)
所以x＝mω2lk-mω2
因为滑动变阻器的电阻分布均匀，所以
U＝Exl
所以U＝Emω2k-mω2。
[答案] U＝Emω2k-mω2学习任务
1．了解传感器的定义，感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。
2．了解光敏电阻的工作原理及作用；了解热敏电阻和金属热电阻的工作原理及作用。
3．了解电阻应变片在电子秤上的应用；了解电容在传感器中的应用。
4．知道将非电学量转化为电学量的意义。
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
压力传感器、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号
酶传感器、组织传感器、细胞传感器等
次数
1
2
3
4
5
t/℃
R/Ω
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