5.2常见传感器的工作原理及应用-2023-2024学年高二物理备课必备讲义（人教版2019选择性必修第二册）

第五章 传感器 第2节 常见传感器的工作原理及应用 【科技前沿】色标传感器的工作原理 色标传感器是一种判断两个色块之间色差（灰度差）的传感器，也称为对比度传感器，色标传感器又叫光电检测传感器（俗称光电头、光电眼），采用光发射接收原理，发出调制光，接收被测物体的反射光，并根据接收光信号的强弱来区分不同的颜色，或判别物体的存在与否，主要用于“定位”。它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。 【核心素养目标】 物理观念 了解光敏电阻的特性及其在生活、生产中的应用。 科学思维 了解金属热电阻和热敏电阻的特性及其在生活、生产中的应用。 科学探究 了解电阻应变片、电容式位移传感器的特性及其在生活、生产中的应用。 科学态度与责任 通过常见传感器的工作原理及应用知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。 知识点一　光敏电阻 【情境导入】智能手机屏幕的光线过强会对眼睛有害，因此手机都有一项可以调节亮度的功能，该功能既可以自动调节，也可以手动调节。自动调节功能，手机是感知外界光线强弱的感光元件是什么呢？ 【知识梳理】 光敏电阻在被光照射时 发生变化，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为 这个电学量． 【典例精析】 例1．教学楼过道灯的电路图如图所示，电路中的声传感器和光传感器实质就是声控开关和光控开关。在天黑以后，走过楼道时一跺脚灯就亮了；而白天无论怎样发出声响，灯都不会亮。下列分析正确的是（    ）    A．白天有光照时，光传感器自动闭合 B．夜晚无光照时，光传感器自动断开 C．有人走动或发出声音时，声传感器自动闭合 D．夜晚狂风大作时，过道灯亮了，说明声传感器和光传感器都坏了 知识点二　金属热电阻和热敏电阻 【情境导入】 某兴趣小组为了研究电子温控装置，将热敏电阻R1(负温度系数)、定值电阻R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。 (1)闭合开关S后，温度升高时，电流表的示数如何变化？ (2)闭合开关S后，温度降低时，电压表的示数如何变化？ 【知识梳理】 1．金属热电阻：金属的电阻率随温度的 而增大，利用这一特性，金属丝可以制作 传感器，称为热电阻． 2．热敏电阻：用 材料制成，氧化锰制成的热敏电阻的阻值随温度的升高而 ． 【重难诠释】 有些半导体在温度变化时导电能力也会变化，因此可以用这种半导体材料制作热敏电阻。 热敏电阻是电阻值随温度变化而变化的敏感元件。在其工作温度范围内，电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。 金属热电阻和热敏电阻的区别 项目 金属热电阻 热敏电阻(NTC) 特点 电阻率随温度的升高而增大 电阻率随温度的升高而减小 R－T图像 制作材料 金属 半导体 导电原理 自由电子的 定向移动 自由电子和空穴等载流子 优点 化学稳定性好，测温范围大 灵敏度较好 作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 【典例精析】 例2．在电喷汽车的进气管道中，广泛地使用着一种叫“电热丝式空气流量传感器”的部件，其核心部分是一种用特殊的合金材料制作的电热丝。如图所示，当进气管道中的冷空气流速越大时，电阻R两端的电压U0就变得越高，反之，电压U0就越低。这样管道内空气的流量就转变成了可以测量的电压信号，便于汽车内的电脑系统实现自动控制。如果将这种电热丝从汽车的进气管道中取出，放在实验室中测量这种电热丝，得到的伏安特性曲线正确的是（　　）      A．   B．   C．   D．   知识点三　电阻应变片 【情境导入】 如图所示是一个应变式力传感器，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上、下表面各贴一个应变片．结合力传感器的特点，叙述它的工作原理． 【知识梳理】 1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻也随之变化的现象． 2．电阻应变片：电阻应变片有金属电阻应变片和 ，半导体电阻应变片的工作原理是基于半导体材料的 ． 3．电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为 这个电学量． 【重难诠释】 【典例精析】 例3．某同学自制了一台电子秤，原理示意图如图所示。用理想电压表的示数指示物体的质量，托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计，滑动变阻器R的滑动端与弹簧上端连接。当托盘中没有放物体时，滑片恰好指在变阻器的最上端，此时调整电压表示数等于0。设变阻器总电阻为R，长度为L，电源电动势为E、内阻为r，限流电阻阻值为R0，弹簧劲度系数为k，重力加速度为g，不计一切摩擦和其它