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1、揭开传感器的“面纱”常见传感器的工作原理揭开传感器的“面纱”常见传感器的工作原理 1传感器的定义及作用 (1)定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置。 (2)作用：传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转化任务，把非电学 量转化为电学量。 (3)分类：我们可以按传感器工作原理的不同把传感器分为物理传感器、化学传感器和 生物传感器。 (4)结构： 非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量 有一种电水壶为了防止烧干后引起事故， 在水壶上安装了传感器， 当壶中的水减少到一 定程度时，就会自动断电，这种水壶上安装了什么样的传感器？ 解析 ： 这种水壶上安装了压力传
2、感器。当水壶中的水减少到一定程度时，压力减小，压 力传感器使电路断开，起保护作用。 2光电传感器 (1)定义：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)敏感元件：光敏电阻。 (3)特性：光敏电阻器是用金属硫化物等半导体材料制成的，当光照射到这些半导体物 质上时，它的电阻率减小，阻值也随之减小。入射光强，电阻小；入射光弱，电阻大。 (4)作用：用于光的测量和光的控制。 3温度传感器 (1)定义：一种将温度变化转换为电学量变化的装置。 (2)敏感元件：常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等。 (3)特性：热敏电阻是用半导体材料制成的，其电阻值随温度变化明显，NT
3、C 热敏电阻 (负温度系数)的阻值，随温度升高而减小，PTC 热敏电阻的阻值随温度升高而增大，金属热 电阻的电阻率一般随温度升高而增大。 传感器是将非电学量转换为电学量的装置，请列举日常生活中见到的传感器。 解析 ： 马路两旁的自动控制路灯开关的装置，楼道内的声控灯装置，有些汽车、电动车 上安装的自动报警装置等。 1核心元件 (1)敏感元件是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏)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。 2组成 传感器的一般工作过程是 ： 通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定
4、规 律转换成便于测量的量。一般由敏感元件、转换元件、转换电路三个部分组成。 非电学物理量敏感元件转换元件转换电路电学量输出 3分类 传感器按照工作原理的不同可以分为以下三类： 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号 酶传感器、 组织传感器、 细胞传感器 等 典例 1 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)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
5、表原理， 某同学自制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，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_(填“增大”或“减小”)。 思路探究 变阻器的连接方式电阻变化电流变化电压变化 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RR时，URIR可视为UR与R成正比， 所以电压表应接在b、c之间， 当油量减少时，电压表示数将增
6、大。 答案 b、c 增大 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( ) C增大表示h增大 C增大表示h减小 C减小表示h减小 C减小表示h增大 A只有正确 B只有、正确 C只有正确 D只有、正确 解析：选 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
7、 正 确。 1光敏电阻 (1)特点：光敏电阻一般由金属硫化物等半导体材料做成，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)特性 ： 光敏电阻的电阻随光照的增强而减小。光敏电阻在被光照射时电阻发生变化， 这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。 2热敏电阻 (1)特点 ： 热敏电阻由半导体材料制成， 有温度系数大、 灵敏度极高、 反应迅速、 体积小、 寿命长等优点。 (2)分类： 正温度系数热敏电阻(PTC 热敏电阻) 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而增大， 其特性与金属热电阻相似， 其电阻随温度的 变化图象如图甲
8、所示； 负温度系数热敏电阻(NTC 热敏电阻) 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而明显减小，其电阻随温度的变化图象如图乙所示。 甲 乙 3用途 热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器， 在测温过程中反应非常快。 电子体温计及家 用电器(电脑、空调、冰箱等)的温度传感器，主要使用热敏电阻。 典例 2 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( ) AI变大，U变大 BI变小，U变小 CI变小，U变大 DI变大，U变小 思路探
9、究 (1)明确 NTC 半导体热敏材料制成的R2其电阻随温度如何变化。 (2)知道R2在电路中的位置及电路结构。 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：外电路电压将减小，U减小；电路中的总电流增 大，所以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 B 总结提能 解决含有热敏电阻的动态分析问题的思路 (1)应明确热敏电阻的电阻特性。 (2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而引起的 整个电路中各部分电学量的变化情况。 (3)基本流程：R局R总I总U端R局
10、。 2现有热敏电阻、电热丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关各一个，导线若干， 如图所示，试设计一个温控电路。要求温度低于某一温度时，电热丝自动通电加热，超过某 一温度时，又可以自动断电，画出电路图并说明工作过程。 解析：热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路，电路图如图所示。 工作过程：闭合开关 S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器的电 流小，电磁铁磁性弱，不能将衔铁P吸下，触点 K 接通，电热丝加热 ； 当温度达到设计值时， 热敏电阻阻值减小到某值，通过电磁继电器的电流变大达到工作电流，电磁铁磁性增强，将 衔铁P吸下，触点 K 断开，电热丝断电，停止加热 ；
11、当温度低于设计值时，又重复前述过程。 答案：见解析 1下列关于传感器的说法中正确的是( ) A所有传感器的材料都是由半导体材料做成的 B金属材料也可以制成传感器 C传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D以上说法都不正确 解析：选 B 半导体材料可以制成传感器，其他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，A 错误，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，C 错误。 2下列关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的说法中正确的是( ) A物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化 工领域 B化学传
12、感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出 电学量 C生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作 D生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求 解析：选 D 不论哪种传感器都可以将非电学量转化成电学量输出，B 错误；物理传感 器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，A 错误；生物传感器能够使用的前提是感受器 中的生命物质保持生物活性，C 错误，D 正确。 3下列说法正确的是( ) A凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器 B湿敏传感器只能是物理传感器 C物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出 D物理传感器利用的是物质的物理性质和物理
13、效应 解析：选 D 各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数是将非电学量转化 为电学量，A 错误；湿敏传感器为化学传感器，B 错误；传感器既可将信息转化为电压输出， 也可转化为电流、电阻等输出，C 错误；由物理传感器定义知，D 正确。 4用多用电表的欧姆挡测量 NTC 热敏电阻和光敏电阻的阻值时，下列说法中正确的是 ( ) 测 NTC 热敏电阻时，温度越高，多用电表指针偏角越大 测 NTC 热敏电阻时，温度 越高，多用电表指针偏角越小 测光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越大 测 光敏电阻时，光照越弱，多用电表指针偏角越小 A B C D 解析：选 B NTC 热敏电阻的阻值随温度的升高而变小；光敏电阻的阻值，光照越强， 电阻越小。另外还要注意多用电表使用欧姆挡时的指针偏转特性，故、正确。