1、第第 5 5 章章 传感器及其应用传感器及其应用 章末核心素养提升章末核心素养提升 传 感 器 及 其 应 用 传感器的 工作原理 传感器：能感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成 可用输出信号（主要是电信号）的器件或装置。 敏感元件 光敏元件：光照越强，光敏电阻阻值越小 热敏元件 负温度系数热敏电阻 正温度系数热敏电阻 磁敏元件：霍尔元件 科学制作：简单的自动控制装置 传感器的应用 自动感应门 洗衣机水位控制 指纹识别器 机器人 一、传感器及常见敏感元件 1传感器 传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等非电学量按照一定的规 律转换为容易进行测量、传输、处理和控制的电压、电流等电
2、学量或转换为电路 通断的一类元件。 原理如下所示： 2敏感元件 (1)光敏电阻 光敏电阻是用半导体材料制成的，其特点是在被光照射时电阻会发生变化，光照 增强电阻减小，光照减弱电阻增大，其作用是把光学量转换为电学量。 (2)热敏电阻和金属热电阻 金属热电阻的电阻率随温度升高而增大。其特点是化学稳定性好，测温范围大， 但灵敏度较差。 热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻率对温度非常敏感。热敏电阻有正温度 系数(PTC 热敏电阻)、负温度系数(NTC 热敏电阻)两种。正温度系数的热敏电阻 的阻值随温度升高而增大，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小。金 属热电阻和热敏电阻都能把热学量转换为电学
3、量。 (3)电容器 平行板电容器的电容大小与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关，电容器 可以感知引起电容变化的任一外界信息并将其转化为相应的电容变化。例如，当 极板受力时会改变极板间距，从而引起电容变化。 (4)霍尔元件 霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量， 霍尔电压 UHkIB d 。 例 1 如图甲所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏 感)的 IU 关系曲线图。 (1)为了通过测量得到如图甲所示 IU 关系的完整曲线， 在图乙(a)和(b)两个电路 中应选择的是_；简要说明理由：_。 (电源电动势为 9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为 0100
4、 ) (2)在图所示电路中， 电源电压恒为 9 V， 电流表读数为 70 mA， 定值电阻 R1250 。由热敏电阻的 IU 关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_ V； 电阻 R2的阻值为_ 。 (3)举出一个可以应用热敏电阻的例子。 解析 (1)由于 IU 关系图线中电压从 0 调至所需电压，电压调节范围大，所以 应选择(a)。 (2)由题图知， R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上， 总电流I70 mA， R1250 。设通过热敏电阻的电流为 I2，通过 R1的电流为 I1，则 II1I2，故 I2II1(70 9 25010 3) mA34 mA。 由图像查得34 mA对应的电
5、压为5.3 V， R2两端电压 U2(95.3)V3.7 V，所以 R2 3.7 V 3410 3 A108.8 。 (3)应用热敏电阻的例子很多，如恒温箱，自动孵化器，热敏温度计等。 答案 (1)(a) 电路电压可从 0 调到所需电压，电压调节范围大 (2)5.3 108.8(108.6109.0 均可) (3)恒温箱，自动孵化器，热敏温度计等 针对训练 1 有一热敏电阻的电阻值在 t1t4的温度变化范围内，Rt 图像如 图所示。现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上，做成一个电阻温度计。为了便 于读数，再把欧姆表上的电阻值转换成温度值。现在要使该温度计对温度的变化 反应较为灵敏， 那么该温度计
6、测量哪段范围内的温度较为适宜(设在 t1t4温度范 围内，欧姆表的倍率不变)( ) At1t2 Bt2t3 Ct3t4 D都可以 解析 由题图可知热敏电阻的电阻值随温度的升高而增大， 在 t2t3温度范围内， 电阻值随温度的变化较大，即电阻值对温度的变化较为灵敏，故选项 B 正确。 答案 B 二、自动控制电路的设计 自控电路的设计考查内容全面，将传感器与力、电磁综合问题相结合，体现一定 的设计、创新能力，成为高考命题的热点，自控电路的设计应注意以下几点： 1要明确设计意图，弄清控制条件和相应的自动控制原理。 2要明确应选用哪种传感器，该传感器怎样感知控制条件及怎样转化为电学量 输出。 3选用什
7、么样的执行机构，该执行机构怎样执行自动控制。 4采用什么样的电路来实现自动控制。 传感器应用的一般流程： 传感器 感受信息转换、放大、传输执行机构 例 2 如图所示，A 是浮子，B 是金属触头，C 为住宅楼房顶上的蓄水池，M 是 带水泵的电动机，D 是弹簧，E 是衔铁，F 是电磁铁，S1、S2分别为触头开头， S 为开关， J 为电池。 请利用上述材料， 设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置。 (1)连接电路图； (2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)。 解析 (1)如图所示。 (2)按图接好电路，合上开关 S，水泵工作，水位升高，当浮子上升使 B 接触到 S1时，左侧电路(控制电路)工
8、作，电磁铁 F 有磁力，拉下衔铁 E，使 S2断开，电 动机 M 不工作，停止注水，当水位下降使 B 与 S1脱离，电磁铁电路停止工作， F 无磁性，弹簧的弹力使 D 拉动 E，使 S2接通，M 工作。 答案 (1)见解析图 (2)见解析 针对训练 2 为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控 开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件 (照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为 lx)。某光敏电阻 RP在不 同照度下的阻值如下表： 照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻(k) 75 40 28 23 20 18
9、(1)根据表中数据，请在给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明 阻值随照度变化的特点。 (2)如图所示， 当 1、 2 两端所加电压上升至 2 V 时， 控制开关自动启动照明系统， 请利用下列器材设计一个简单电路。给 1、2 两端提供电压，要求当天色渐暗照 度降低至 1.0(lx)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图(不考虑控制开关 对所设计电路的影响)。 提供的器材有： 光敏电阻 RP，电源 E(电动势 3 V，内阻不计)； 定值电阻：R110 k，R220 k，R340 k(限选其中之一并在图中标出)，开 关 S 及导线若干。 解析 (1)光敏电阻的阻值随照度变化的曲线如图所示。 特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大而非线性减小。 (2)设计 电路如图所示。 当天色渐暗照度降低至 1.0(lx)时启动照明系统，此时光敏电阻阻值为 20 k，两 端电压为 2 V，而电源电动势为 3 V，所以应加上一个分压电阻，分得的电压为 1 V， 由串联电路的分压特点得， 分压电阻阻值应为 10 k， 故选用定值电阻 R1。 答案 见解析
