第5章 傳感器 主題1　傳感器工作原理、常見敏感元件及其應(yīng)用1．傳感器的工作原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如力、熱、磁、光、聲等，而它輸出的通常是電學(xué)量，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作，傳感器原理如框圖所示。2．光敏電阻光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，其特點(diǎn)是在被光照射時(shí)電阻會(huì)發(fā)生變化，光照增強(qiáng)電阻減小，光照減弱電阻增大，其作用是把光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。3．熱敏電阻和金屬熱電阻金屬熱電阻的電阻率隨溫度升高而增大。其特點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差。熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的，其電阻率對(duì)溫度非常敏感。熱敏電阻有正溫度系數(shù)(PTC熱敏電阻)、負(fù)溫度系數(shù)(NTC熱敏電阻)兩種。正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小。金屬熱電阻和熱敏電阻都能把熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。4．電容器平行板電容器的電容大小與極板正對(duì)面積、極板間距及電介質(zhì)材料有關(guān)，電容器可以感知引起電容變化的任一外界信息并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電容變化。例如，當(dāng)極板受力時(shí)會(huì)改變極板間距，從而引起電容變化。5．霍爾元件霍爾元件能把磁感應(yīng)強(qiáng)度這一磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓這一電學(xué)量，霍爾電壓UH＝k。【典例1】　如圖為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變，且對(duì)溫度很敏感)的I-U關(guān)系曲線圖。(1)為了通過測(cè)量得到圖所示I-U關(guān)系的完整曲線，在圖甲和乙兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖________；簡(jiǎn)要說明理由：________________________________________________________________________。(電源電動(dòng)勢(shì)為9 V，內(nèi)阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的阻值為0～100 Ω)(2)在如圖所示電路中，電源電壓恒為9 V，電流表讀數(shù)為70 mA，定值電阻R1＝250 Ω。由熱敏電阻的I-U關(guān)系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為________V；電阻R2的阻值為________Ω。[解析]　(1)應(yīng)選擇圖甲，因?yàn)閳D甲電路電壓可從0 V調(diào)到所需電壓，電壓調(diào)節(jié)范圍大。(2)由題圖知R2與熱敏電阻串聯(lián)后與R1并聯(lián)接在9 V電源上，總電流I＝70 mA，R1＝250 Ω。設(shè)通過熱敏電阻的電流為I2，通過R1的電流為I1，則I＝I1＋I2，故I2＝I－I1＝mA＝34 mA。由圖像查得34 mA對(duì)應(yīng)的電壓為5.0 V，R2兩端電壓U2＝9 V－5.0 V＝4.0 V，所以R2＝ Ω≈117.6 Ω。[答案]　(1)甲　因?yàn)榧纂娐冯妷嚎蓮? V調(diào)到所需電壓，電壓調(diào)節(jié)范圍大　(2)5.0　117.6對(duì)傳感器的進(jìn)一步理解(1)不同的傳感器的原理不同，但都是通過敏感元件把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的變化。(2)傳感器輸出的電學(xué)量可能為電流、電壓、電路通斷等，不一定是電壓。(3)敏感元件只是傳感器的一個(gè)關(guān)鍵部分并不一定就是一個(gè)完整的傳感器。 主題2　傳感器在實(shí)際問題中的應(yīng)用以傳感器為橋梁可以將多方面的物理知識(shí)整合在一起，在實(shí)際問題中既可以直接考查傳感器知識(shí)，也可以考查敏感元件的敏感特性，幾種傳感器及與其相聯(lián)系的物理知識(shí)，如表：傳感器種類敏感元件與之相聯(lián)系的物理知識(shí)光電傳感器光敏電阻直流電路動(dòng)態(tài)分析溫度傳感器熱敏電阻直流電路問題力傳感器壓敏電阻力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與直流電路電容傳感器電容器力、運(yùn)動(dòng)與含電容電路【典例2】　青島奧運(yùn)會(huì)帆船賽場(chǎng)采用風(fēng)力發(fā)電給蓄電池充電，為路燈提供電能。用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。光敏電阻的阻值隨照射光的強(qiáng)弱而變化，作為簡(jiǎn)化模型，可以近似認(rèn)為，照射光較強(qiáng)(如白天)時(shí)電阻幾乎為0；照射光較弱(如夜晚)時(shí)電阻接近于無窮大。利用光敏電阻作為傳感器，借助電磁開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)路燈自動(dòng)在白天關(guān)閉，夜晚打開。電磁開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。1、2兩接線柱之間是勵(lì)磁線圈，3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點(diǎn)連接。當(dāng)勵(lì)磁線圈中電流大于等于50 mA時(shí)，電磁鐵吸合鐵片，彈簧片和觸點(diǎn)分離，3、4斷開；電流小于50 mA時(shí)，3、4接通。勵(lì)磁線圈中允許通過的最大電流為100 mA。(1)利用以下器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制路燈的電路，在下面虛線框中畫出電路原理圖。光敏電阻R1，符號(hào)燈泡L，額定功率40 W，額定電壓36 V，符號(hào)保護(hù)電阻R2，符號(hào)電磁開關(guān)，符號(hào)蓄電池E，電壓36 V，內(nèi)阻很小開關(guān)S，導(dǎo)線若干(2)回答下列問題：①如果勵(lì)磁線圈的電阻為200 Ω，勵(lì)磁線圈允許加的最大電壓為________V，保護(hù)電阻R2的阻值范圍為________Ω。②在有些應(yīng)用電磁開關(guān)的場(chǎng)合，為了安全，往往需要在電磁鐵吸合鐵片時(shí)，接線柱3、4之間從斷開變?yōu)榻油?。為此，電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)如何改造？請(qǐng)結(jié)合本題中電磁開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖說明。答：__________________________________________________。③任意舉出一個(gè)其他的電磁鐵應(yīng)用的例子。答：__________________________________________________________________________________________________________。[解析]　(1)電路原理如圖所示。(2)①由題意知：U＝IR＝0.1 A×200 Ω＝20 VR2的阻值最小時(shí)流過勵(lì)磁線圈的電流最大，即Imax＝，解得Rmin＝160 Ω；R2的阻值最大時(shí)流過勵(lì)磁線圈的電流最小，即Imin＝，解得Rmax＝520 Ω。故保護(hù)電阻R2的阻值范圍為160～520 Ω。②把觸點(diǎn)從彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證當(dāng)磁鐵吸合鐵片時(shí)，3、4之間接通；不吸合時(shí)，3、4之間斷開。③電磁起重機(jī)(電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電鈴等合理答案均可)。[答案]　(1)見解析　(2)①20　160～520?、诎延|點(diǎn)從彈簧片右側(cè)移到彈簧片左側(cè)，保證當(dāng)磁鐵吸合鐵片時(shí)，3、4之間接通，不吸合時(shí)，3、4之間斷開?、垡娊馕?/span>(1)傳感器中的敏感元件用于接收非電學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。(2)傳感器一般用于有害于人體或人不能輕易到達(dá)的環(huán)境。(3)在不同的儀器中所使用的傳感器一般不同，其原理也不盡相同，但都是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量。機(jī)動(dòng)車駕駛員酒后駕車，極易發(fā)生道路交通事故，嚴(yán)重危害交通安全和人身財(cái)產(chǎn)安全。怎樣才能判定駕駛員酒后駕車呢？人飲酒后，酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收，經(jīng)血液循環(huán)，約有90%的酒精通過肺部呼氣排出，因此測(cè)量呼氣的酒精含量就可以判斷其飲酒程度。我國(guó)已制成對(duì)低濃度酒精有高靈敏性的酒精傳感器。交通警察使用這樣的酒精傳感器就能迅速、準(zhǔn)確地檢查出機(jī)動(dòng)車駕駛員是否酒后駕車。酒精傳感器檢測(cè)原理： 當(dāng)具有N型導(dǎo)電性的氧化物暴露在大氣中時(shí)，會(huì)由于氧氣的吸附而減少其內(nèi)部的電子數(shù)量而使其電阻增大。其后如果大氣中存在某種特定的還原性氣體，它將與吸附的氧氣反應(yīng)，從而使氧化物內(nèi)的電子數(shù)增加，導(dǎo)致氧化物電阻減小。半導(dǎo)體—氧化物傳感器就是通過該阻值的變化來分析氣體濃度。[設(shè)問探究]1．傳感器的工作原理是什么？由哪幾部分組成？2．酒精傳感器的敏感元件是什么？有什么特性？提示：1．傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如力、熱、磁、光、聲等，而它輸出的通常是電學(xué)量，主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。2．酒精傳感器的敏感元件是N型導(dǎo)電性的氧化物，其特性表現(xiàn)為氧氣的吸附而減少時(shí)，氧化物電阻減小。[深度思考]　駕駛員酒后駕車已成為安全行駛的重大隱患，為此全國(guó)上下掀起了一場(chǎng)嚴(yán)查酒后駕駛的安全檢查行動(dòng)。交通警察在執(zhí)行任務(wù)過程中，要使用一種酒精測(cè)試儀檢測(cè)駕駛員是否屬于酒后駕駛，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，其中酒精氣體傳感器的電阻隨酒精氣體濃度的變化而變化，不同酒精濃度對(duì)應(yīng)著傳感器的不同電阻，這樣顯示儀器上就與濃度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果酒精氣體傳感器的電阻的倒數(shù)與酒精氣體的濃度成正比，那么電壓表示數(shù)U與酒精氣體濃度c之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系正確的是(　　)A．U越大，表示c越大，c與U成正比B．U越大，表示c越大，但c與U不成正比C．U越大，表示c越小，c與U成正比D．U越大，表示c越小，但c與U不成正比B　[設(shè)酒精氣體傳感器的電阻為Rc，則有E＝I(r＋R0＋R＋Rc)，電壓表示數(shù) U＝IR0可得U＝·R0，又＝kc故有U＝，故c越大，Rc越小，U越大，但c與U不成正比，只有選項(xiàng)B正確。][素養(yǎng)點(diǎn)評(píng)]　傳感器在生產(chǎn)和科技中的應(yīng)用越來越廣泛，這使傳感器的原理及應(yīng)用在高考中出現(xiàn)的可能性有所增加。本題是一道以酒精傳感器的應(yīng)用與電路知識(shí)結(jié)合為背景的實(shí)際應(yīng)用性問題，要求學(xué)生運(yùn)用電路知識(shí)和酒精傳感器的特性解決問題，體現(xiàn)科學(xué)思維與科學(xué)態(tài)度與責(zé)任在物理教學(xué)中的重要意義。 

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