2015-2016学年高二物理鲁科版选修3-2学案：第5章第2、3讲常见传感器的工作原理大显身手的传感器.doc

第2讲　常见传感器的工作原理
第3讲　大显身手的传感器
[目标定位]　1.认识光敏电阻和热敏电阻这两种敏感元件，知道其特性.2.理解光电传感器和温度传感器的工作原理.3.了解传感器的设计思路，了解生活中传感器的简单应用及给人类生产、生活带来的便利．

一、光电传感器的原理
1．光电传感器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．光敏电阻在被光照射时，它的电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻这个电学量．
3．光敏电阻的阻值随光照的增强而减小．
4．常见的光电传感器：光敏电阻、光敏晶体管、光电二极管、光电三极管、光电池等，它们都是利用某些物质在光照射下电学特性随之变化的性质制成的．
二、探究温度传感器的原理
1．温度传感器
温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置．常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等．
2．热敏电阻
热敏电阻利用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显．
3．热敏电阻器的两种型号及其特性
热敏电阻是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．在工作温度范围内，电阻值随温度的升高而增大的是正温度
系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度的升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻．
三、传感器在生产、生活中的应用举例
1．洗衣机水位控制装置——压力传感器如图1所示，筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物．

图1
2．自动门的开关——红外线传感器
接收人体发出的红外线，产生电压输出信号．
3．指纹识别器——电容式传感器
获取指纹信息，转换成电信号．
4．机器人中的传感器
分类

一、光电传感器原理
1．光敏电阻的特点：阻值随光照强度的增大而减小．
2．光敏电阻的机理：光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照而温度升高时，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，导电性能变好，电阻变小．
例1　在如图2所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED之间的距离不变，下列说法正确的是(　　)

图2
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变
答案　A
解析　发光二极管为光敏电阻R提供光源，当光照强度增大时光敏电阻R电阻变小，电源两端的电压恒定，电流增加，L消耗的功率增大．
二、探究温度传感的原理
1．热敏电阻
(1)特点：热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关．温度变化，阻值有明显变化．
(2)分类：由半导体材料制成，其导电性能对温度的变化很敏感，热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻．
①正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度上升而增大．
②负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度的上升而减小．
③临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧减小．
2．金属热电阻
特点：电阻率随温度的升高而增大．
例2　如图3所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(　　)

图3
A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显
B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显
C．如果R为NTC热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化非常明显
D．如果R为NTC热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变小，读数变化不明显
答案　C
解析　若为金属热电阻，温度升高后，电阻变大，读数变化不明显，A、B错．若为热敏电阻，读数将明显变化，C对，D错．
例3　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
答案　A
解析　光敏电阻是把光照强度转换为电阻的元件；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，金属铂与热敏电阻相反，故C错误．
三、自动控制电路的分析与设计
例4　如图4所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路，其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器(图中未画出)相连接．则(　　)

图4
A．当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下
B．当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下
C．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端
D．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、C端
答案　B
解析　当温度降低到某一数值，热敏电阻R的阻值增大，电路中电流减小，继电器L对衔铁P吸引力减小，P将不会被吸下，故A错误．当温度升高到某一数值，热敏电阻R的阻值减小，电路中电流增大，继电器L对衔铁P吸引力增大，P将会被吸下．故B正确．恒温箱内温度高到一定数值后，应与电源断开停止加热，由以上分析可知，温度升高后，A、B端断开，所以工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、B端．故C、D错误．故选B.

光传感器的应用
1．如图5所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是(　　)

图5
A．严重污染时，LDR是高电阻
B．轻度污染时，LDR是高电阻
C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D．该仪器的使用不会因为白天和晚上受到影响
答案　A
解析　严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D错．
温度传感器的应用
2．如图6所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡的亮度变化是________，发生这一现象的主要原因是(　　)

图6
A．小灯泡的电阻发生了变化
B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D．电源的电压随温度发生了变化
答案　变暗　C
解析　电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．
自动控制电路的分析与设计
3．如图7所示为一自动控制温度的电路图，请说明其工作原理．

图7
答案　见解析
解析　当开关P在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触时，电热丝工作；随着温度升高，热敏电阻温度升高，阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强到一定程度时把P吸到b，电热丝停止工作，指示灯亮.

(时间：60分钟)
题组一　光传感器的应用
1．在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是(　　)
A．光传感器 B．温度传感器
C．声传感器 D．压力传感器
答案　A
解析　在电梯门口放置一障碍物，电梯门不停地开关，说明电梯门口有一个光传感器，故A选项正确．
2．街旁的路灯、江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的(　　)
A．压敏性 B．光敏性
C．热敏性 D．三种特性都利用
答案　B
3. 如图1所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为θ′，则可判断(　　)

图1
A．θ′＝θ B．θ′＜θ
C．θ′＞θ D．不能确定
答案　B
解析　光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，表针的偏转角度变小．
题组二　温度传感器的应用
4．在防治“非典”期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播．关于红外线热像仪，下列说法正确的是(　　)
A．选择红外线进行检测，主要是因为红外线具有荧光效应
B．红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测
C．红外线热像仪同时还具有杀菌作用
D．一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
答案　D
解析　红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的，故D正确．
5. 如图2所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(　　)

图2
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
答案　C
解析　R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，R1两端电压减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，其余各项均错．
6．如图3所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路图．其中的运行绕阻是电冰箱在工作时电动机的定子，由于交流是单相的，启动时必须依靠启动绕阻的帮助才能产生旋转磁场，在启动绕阻的支路中串联有一个PTC元件，这是一种以酞酸钡为主要材料的热敏电阻器，电流流过PTC元件，元件发热，它的电阻率随温度升高而发生显著变化，当电动机正常转动以后，PTC元件温度较高，电阻很大，启动绕阻电流很小．以下判断正确的是(　　)

图3
A．电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少
B．电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少
C．电冰箱启动后，启动绕阻功率不变，运行绕阻功率是变化的
D．电冰箱启动后，启动绕阻功率是变化的，运行绕阻功率不变
答案　BD
解析　启动时，由于PTC元件温度低，电阻小，故耗电多，B正确；启动后，随PTC元件温度升高，PTC元件电阻增大，通过启动绕阻的电流减小，故启动绕阻功率是变化的，而运行绕阻电压不变，故功率不变，则D正确．
7．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的．如图4甲所示，电源的电动势E＝9 V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20 ℃时，电流表示数I1＝2 mA；当电流表的示数I2＝3.6 mA时，热敏电阻的温度是(　　)

图4
A．60 ℃ B．80 ℃
C．100 ℃ D．120 ℃
答案　D
解析　在20 ℃时，E＝(Rg＋R1)I1，得Rg＝500 Ω，在温度为t时，E＝(Rg＋R2)I2，即9＝(500＋R2)×3.6×10－3，得R2＝2000 Ω，从题图乙中可以看出t＝120 ℃，故选D.
8．如图5甲所示为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当Uab＞0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃.

图5
答案　32(31～33)
解析　设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有R1＝·R3，解得Rt＝20 kΩ.
由题图可知，当Rt＝20 kΩ时，t＝32 ℃.
题组三　自动控制电路的分析与设计
9．如图6所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图．门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)．经实际试验，灯的亮灭能反映门的开、关状态．门打开时两灯的发光情况以及R2两端电压UR2与门关闭时相比(　　)

图6
A．红灯亮，UR2变大 B．绿灯亮，UR2变大
C．绿灯亮，UR2变小 D．红灯亮，UR2变小
答案　D
解析　门打开R3减小，导致R总减小和I总增大，Ur和UR1变大，UR2＝E－(UR1＋Ur)减小，IR3＝I总－增大，电磁继电器磁性增强把衔铁拉下，红灯亮，绿灯灭，A、B、C均错误，D正确．
10．如图7所示，是自动水位报警器的示意图，其中继电器的线圈通过电流时，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触．若要求水位正常时绿灯亮，高出一定水位时红灯亮，现有红、绿灯泡各一个，红灯泡应安在________位置，绿灯泡应安在________位置．(均选填A或B)

图7
答案　B　A
解析　水位较低时，线圈中没有电流，衔铁1与触头3接触，这时应绿灯亮，所以A处应安装绿灯泡，当高出一定水位时，线圈中有电流，磁铁吸引衔铁1，使它与触头3断开，与触头2接触，这时应红灯亮，所以红灯泡应安在B位置．
11．如图8是一种防汛报警器的原理图，S是触点开关，B是一个漏斗形的竹片圆筒，里面有浮子A，请你说明这种报警器的工作原理．

图8
答案　见解析
解析　由题图可以看出，水面上升时，浮子A在漏斗形的竹片圆筒内上浮，顶起金属板．当水面上升达到警戒水位时，使触点开关S闭合，电磁铁电路连通，电磁铁通电有磁性，吸下衔铁使报警电路的触点开关闭合，灯亮发出防汛警报．