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第4课时传感器

实验十六：利用传感器制作简单的自动控制装置

目标要求1.掌握制作传感器的常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理。2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式。3.能利用传感器制作简单的自动控制装置。

考点一常见的传感器

一、传感器及其工作原理

1．传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

传感器应用的一般模式如图所示：

2．传感器的核心元件

(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。

(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。

(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分。

3．传感器的分类

工作原理

举例

物理传感器

利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息

力传感器、磁传感器、声传感器等

化学传感器

利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号

离子传感器、气体传感器等

生物传感器

利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质

酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等

二、常见敏感元件

1．光敏电阻

(1)特点：一般情况下，光照越强，电阻越小。

(2)原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

(3)作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

2．热敏电阻和金属热电阻

(1)热敏电阻

热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线。

(2)金属热电阻

有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。

(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。

3．电阻应变片

(1)电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。

(2)电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片。

(3)电子秤的工作原理

eq\x(金属梁自由端受力F)?eq\x(金属梁发生弯曲)?eq\x(应变片的电阻变化)

?eq\x(两应变片上电压的差值变化)

4．霍尔元件的应用

霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。

(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。

(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。

(3)霍尔电压：UH＝keq\f(IB,d)(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)。其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

例1(多选)(2023·浙江1月选考·14)下列说法正确的是()

A．利用电容传感器可制成麦克风

B．物体受合外力越大，则动量变化越快

C．利用红外传感器可制成商场的自动门

D．牛顿运动定律不适用，则动量守恒定律也不适用

答案ABC

解析声音使振动膜片振动，改变两极板间距离，使声音信号转换成电信号，则利用电容传感器可制成麦克风，故A正确；由动量定理有F合t＝Δp，可得eq\f(Δp,t)＝F合，可知物体受合外力越大，则动量变化越快，故B正确；人体可以向外界释放红外线，感应装置接收到红外线后，可以开门，则利用红外传感器可制成商场的自动门，故C正确；牛顿运动定律只适用于宏观低速问题，不适用于微观高速问题，而动量守恒定律既适用于低速宏观问题，也适用于高速微观问题，故D错误。

例2(2022·北京卷·13)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是()

A．U1U2

B．R2为压力传感器

C．若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低

D．若定值电阻的阻值越