第9.1节 传感器及其敏感元件-【帮课堂】2023-2024学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第二册）

第九章·传感器 第1节 传感器及其敏感元件 ◎目标导航 知识要点 难易度 1．传感器是指检测元件，将非电信号转化为电信号并输出 2．基本工作原理，核心是敏感元件 3．光敏电阻：光强增大，R减小 热敏电阻：温度增大，R可能增大也可能减小 金属热电阻：温度增大，R增大 4．传感器的分类 ★ ★ ★★ ★★ ★★ ★ ◎知识精讲 1. 传感器(sensor) 一种检测装置（元件），能感受到被测量的信息，并将其转化为电信号进行输出。 具体的说，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。 2．传感器的结构 传感器的结构如下图所示。 ① 非电学量：如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等。 ② 敏感元件：光敏电阻，热敏电阻，压力传感器的应变片等。 ③ 转化器件：将非电信号转化为电信号，如应变片受力后弯曲，一侧伸长，一侧缩短，需将长度信息转化为电阻信息，但一般电信号还比较微弱。 如敏感元件输出的是电信号，则敏感元件和转化元件合二为一。 ④ 转换电路：对电信号进行调整和放大。 ⑤ 电学量：如电压值、电流值、电荷量等。 3. 敏感元件 (1). 光敏电阻 主要特性：光照强度增大，电阻值减小。 材料：由半导体材料制成，如硫化镉。 机制：在无光时，自由电荷（载流子）极少，导电性能不好，即电阻R大； 随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，即R明显减小。 (2). 热敏电阻 材料：热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。 主要性质：正温度系数（PTC）热敏电阻器：电阻值随温度上升而增加； 负温度系数（NTC）热敏电阻器：电阻值随温度上升而减小，一般非线性， 临界温度电阻（CTR）：某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。 电阻率随温度变化图像，如下图：斜率表示随温度变化的敏感程度，即变化率。 应用：测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿。 (3). 金属热电阻 金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。 (4). 热敏电阻和金属热电阻的区别 温度升高，金属热电阻电阻增大，而不同热敏的电阻可能增大也可能减小； 相比较而言，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高。 4．传感器的分类 (1) 常用传感器根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。 ①物理传感器：包括力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器； ②化学传感器：包括离子传感器、气体传感器等化学传感器； ③生物传感器：包括酶传感器、微生物传感器，细胞传感器等生物传感器。 (2) 物理型传感器的分类 ①按测量的物理量分类，可分为位移、力、温度、磁场传感器等; ②按工作原理分类，可分为热电偶、霍尔器件、光电传感器等; ③按感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等; ④按输出信号的性质则可分为输出数字信号 (1和0)、模拟信号。 ◎例题精讲 例1．（多选）传感器担负着信息采集的任务，它可以（ ） A．将力学量（如形变量）转变成电学量 B．将热学量转变成电学量 C．将电学量转变成光学量 D．将电学量转变成力学量 例2．（单选）如图所示是一自动控制电路示意图，R1为光敏电阻，当照射到R1处的光消失时，电流表A中的电流I及ab间的电压U的变化情况是 (　　) 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 例3. 传感器担负着信息采集的任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示，图乙是用热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警器原理图。则： (1)为了使温度过高时报警器铃响，开关应接在________(填“a”或“b”)。 (2)若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)移动。 例4.（单选）人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳方位(　) A．力传感器 B．光传感器 C．温度传感器 D．生物传感器 ◎巩固练习 1．全自动洗衣机设有多段式水位自动感应装置，该水位自动感应装置采用的传感器是（ ） A．温度传感器 B．压力传感器 C．生物传感器 D．红外线传感器 2．关于光敏电阻，下