2 常見傳感器的工作原理及應(yīng)用
[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.知道什么是傳感器，了解傳感器的種類(重點)。2.知道傳感器的組成與應(yīng)用模式。3.知道光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片、電容式傳感器的工作原理及應(yīng)用(難點)。
一、傳感器及其工作原理
干簧管結(jié)構(gòu)：如圖甲所示，玻璃管內(nèi)封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，接入圖乙電路，當(dāng)條形磁體靠近干簧管時：
(1)會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？
(2)干簧管的作用是什么？
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1．傳感器
(1)定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的________________(通常是________、電流等電學(xué)量)輸出，或轉(zhuǎn)換為電路的________的器件或裝置。
(2)功能：把____________量轉(zhuǎn)化為____________量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和________。
2．傳感器的種類、組成與應(yīng)用模式
(1)分類：按傳感器的工作原理的不同，把傳感器分為________傳感器、________傳感器和________傳感器。
(2)組成：傳感器主要由________________、轉(zhuǎn)換元件組成。
①敏感元件：能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分。相當(dāng)于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的。
②轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。
(3)應(yīng)用模式：
例1 關(guān)于傳感器，下列說法正確的是( )
A．所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料制成的
B．金屬材料也可以制成傳感器
C．傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的
D．水銀溫度計是一種傳感器
例2 在多種檢測三聚氰胺的方法中有一種“酶標(biāo)法”檢測，這種檢測方法使用的傳感器，應(yīng)為傳感器中的哪一類( )
A．物理傳感器 B．化學(xué)傳感器
C．生物傳感器 D．溫度傳感器
二、光敏電阻
1．特點：在被光照射時________發(fā)生變化，阻值隨光照強度的增強而明顯________。
2．阻值發(fā)生變化的原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無光照時，載流子________，導(dǎo)電性能________；隨著光照的增強，載流子________，導(dǎo)電性________。
3．作用：把________________這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為________這個電學(xué)量。
4．應(yīng)用實例：在工廠生產(chǎn)車間的生產(chǎn)線上安裝計數(shù)器后，就可以準(zhǔn)確得知生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。當(dāng)光被產(chǎn)品擋住時，R1電阻________(填“增大”“減小”或“不變”)，電路中電流減小，R2兩端電壓________(填“增大”“減小”或“不變”)，信號處理系統(tǒng)得到________(填“高”或“低”)電壓，每通過一個產(chǎn)品就獲得一次________(填“高”或“低”)電壓，并計數(shù)一次。
例3 (多選)(2023·雅安高二期末)某小區(qū)為積極響應(yīng)市政府提出的“迎峰度冬”節(jié)約用電工作，擬將小區(qū)路燈電路進行改造，實現(xiàn)路燈亮度自控。如圖所示為其內(nèi)部電路簡化原理圖，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，RL為光敏電阻(光照強度增加時，其電阻阻值減小)?，F(xiàn)減小光照強度，下列判斷正確的是( )
A．電源的效率變大
B．A燈和B燈都變亮
C．R0兩端電壓變大
D．電源內(nèi)部發(fā)熱功率不變
三、金屬熱電阻和熱敏電阻
1．金屬熱電阻：金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而________，如圖中圖線①所示。
2．熱敏電阻
(1)熱敏電阻指用半導(dǎo)體材料制成，電阻值隨溫度變化發(fā)生明顯變化的電阻。如圖中圖線②所示為某熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。
(2)熱敏電阻分正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻兩類，電阻值隨溫度升高而增大的是正溫度系數(shù)熱敏電阻；電阻值隨溫度升高而________的是負溫度系數(shù)熱敏電阻。常用的是負溫度系數(shù)熱敏電阻。
3．作用：金屬熱電阻和熱敏電阻把________這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成________這個電學(xué)量。
將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將多用電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(溫度升高時電阻減小)的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用電表指針將如何偏轉(zhuǎn)？若用吹風(fēng)機將熱風(fēng)吹向熱敏電阻，多用電表指針將如何偏轉(zhuǎn)？
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例4 (多選)電阻R隨溫度T變化的圖像如圖所示。下列說法正確的是( )
A．圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的
B．圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導(dǎo)體材料制成的
C．圖線1對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性好、測溫范圍大、靈敏度高
D．圖線2對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性差、測溫范圍小、靈敏度高
例5 (多選)在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制。如圖所示電路，R1為定值電阻，R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高，電阻越小)，C為電容器。當(dāng)環(huán)境溫度降低時( )
A．電容器C的帶電荷量增大
B．理想電壓表的示數(shù)增大
C．電容器C兩板間的電場強度減小
D．R1消耗的功率增大
四、電阻應(yīng)變片
1．電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械形變時(伸長或縮短)，其電阻也隨之變化的現(xiàn)象。
2．電阻應(yīng)變片：電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和________________________________，它的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的________________________。
3．電阻應(yīng)變片能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為________這個電學(xué)量。
4.應(yīng)用實例：如圖所示是一個應(yīng)變式力傳感器，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各貼一個應(yīng)變片。在梁的自由端施加力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變________(填“大”或“小”)，下表面應(yīng)變片的電阻變________(填“大”或“小”)。力F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越大。如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變________(填“大”或“小”)，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變______(填“大”或“小”)。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越________(填“大”或“小”)。
例6 壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)設(shè)計了利用壓敏電阻判斷豎直升降機運動狀態(tài)的裝置，其工作原理圖如圖甲所示，將壓敏電阻固定在升降機底板上，其上放置一個物塊，在升降機運動的過程中，電流表示數(shù)如圖乙所示，已知升降機靜止時電流表的示數(shù)為I1。下列判斷正確的是( )
A．0到t1時間內(nèi)，升降機一定靜止
B．t1到t2時間內(nèi)，升降機可能做勻加速直線運動
C．t1到t2時間內(nèi)，升降機運動時的加速度在變化
D．t2到t3時間內(nèi)，升降機可能向下勻速運動
五、電容式傳感器
電容式傳感器：電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距d以及極板間的電介質(zhì)這三個因素。如果某個物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的變化引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，那么這種電容器就被稱為電容式傳感器。
如圖是電容式話筒的原理圖，話筒的振動膜片上涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片，他們構(gòu)成電容器的兩個極板。電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離關(guān)系來工作，試分析它的工作原理。
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例7 (多選)(2022·江蘇省蘇州中學(xué)階段測試)傳感器是智能社會的基礎(chǔ)元件。如圖為電容式位移傳感器的示意圖，測出電容C的變化即可知道物體位移x的變化，eq \f(ΔC,Δx)表示該傳感器的靈敏度。電容器極板和電介質(zhì)板長度均為L，測量范圍為－eq \f(L,2)≤x≤eq \f(L,2)，下列說法正確的是( )
A．若電容器的電容變大，物體向－x方向運動
B．若電容器的電容變大，物體向＋x方向運動
C．電介質(zhì)的相對介電常數(shù)越大，傳感器靈敏度越高
D．電容器的板間電壓越大，傳感器靈敏度越高

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