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6.2 物联网传感器

传感器及其在物理实验中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 物联网传感器是将非电学量(如温度、光强)转换为电信号,实现物理世界数字化采集的装置。

从哪来 它建立在 7.1 交变电流图像 之上。理解传感器输出的电信号(电压/电流)随时间或物理量变化的规律,需借助交变电流图像中“波形反映物理量变化”的核心思想,将非电学量的连续变化映射为电信号的连续变化。

为什么 传感器本质是“转换器”。物理世界是连续的(如温度从20℃升到30℃),而计算机只能处理离散的电信号。传感器利用物理效应(如热敏电阻的电阻随温度变化、光敏电阻的电阻随光照变化),将非电学量转化为电阻、电压等电学量。结合欧姆定律 $I=U/R$,电阻的变化会引起电路中电流或电压的变化,从而在示波器或数据采集器上形成类似交变电流图像的波形,实现信息的数字化传输。

适合:逻辑推理型、喜欢探究原理的学生** **讲法:从“黑盒”到“白盒”的拆解法** 1. **设疑
给一个热敏电阻,问“温度升高,电阻变大还是变小?”(NTC型通常变小)。 2. 推导:画出串联电路,电源电压 $U$ 不变,热敏电阻 $R_T$ 与定值电阻 $R_0$ 串联。 3. 分析:当温度 $T \uparrow \rightarrow R_T \downarrow \rightarrow$ 总电阻 $R_{total} \downarrow \rightarrow$ 电流 $I \uparrow \rightarrow$ 定值电阻两端电压 $U_0 = I R_0 \uparrow$。 4. 结论:通过测量 $U_0$ 的变化,就能反推温度 $T$ 的变化。这就是传感器工作的核心逻辑——将难以测量的物理量,转化为易于测量的电学量。
适合:形象思维型、喜欢生活实例的学生** **讲法:生活类比法** 1. **类比
把传感器比作“翻译官”。 2. 场景:温度是“外语”(非电学量),计算机只懂“英语”(电信号)。 3. 过程:热敏电阻就是翻译官。温度越高,它“说话”的声音(电阻值)越小,导致电路里“电流”这个听众听到的声音(电压信号)越大。 4. 联系:就像交变电流图像中,波形的高低代表电压大小,传感器输出的波形高低就代表温度高低。
适合:应试导向型、需要快速解题技巧的学生** **讲法:图像对应法** 1. **核心口诀
“电阻变,电压反;图像看,斜率变。” 2. 步骤: * 第一步:判断传感器电阻 $R_s$ 随物理量 $X$ 是增是减。 * 第二步:根据串联分压原理,若 $R_s$ 增大,则 $R_s$ 分压增大,定值电阻分压减小(反之亦然)。 * 第三步:在 $U-I$ 图像或 $U-t$ 图像中,找到对应的电压变化趋势。 3. 应用:看到题目问“光照增强,电压表示数如何变?”直接套用:光敏电阻光照强 $\rightarrow$ 电阻小 $\rightarrow$ 分压小 $\rightarrow$ 若测光敏电阻电压则减小,若测定值电阻电压则增大。
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练一道
基础题
如图,电源电压 $U=6V$ 恒定,定值电阻 $R_0=10\Omega$,NTC热敏电阻 $R_T$ 的阻值随温度升高而减小。当环境温度从 $20^\circ C$ 升高到 $40^\circ C$ 时,$R_T$ 从 $20\Omega$ 降至 $10\Omega$。求电压表(测 $R_0$ 两端电压)示数的变化。
变式
某光控路灯电路中,光敏电阻 $R_L$ 与继电器线圈串联。已知 $R_L$ 的阻值随光照强度增强而减小。继电器线圈电阻 $R_J$ 恒定。当光照强度增强时,继电器线圈两端的电压 $U_J$ 如何变化?请结合电路原理说明理由。
试试手自己判
检测题
如图所示,电源电动势 $E$ 和内阻 $r$ 均不变,$R_0$ 为定值电阻,$R_T$ 为NTC热敏电阻(阻值随温度升高而减小)。当环境温度升高时,下列说法正确的是( ) A. 电压表(测 $R_0$ 两端)示数减小 B. 电压表(测 $R_T$ 两端)示数增大 C. 电流表示数减小 D. 电源输出功率一定增大
看答案和判分标准
答案:A
判对标准:
1. 正确选择A:温度升高 $\rightarrow R_T \downarrow \rightarrow R_{total} \downarrow \rightarrow I \uparrow \rightarrow U_{R0} = I R_0 \uparrow$。等等,这里我之前的分析有误,重新推导:
* 温度升高 $\rightarrow R_T$ 减小。
* 总电阻 $R_{total} = R_0 + R_T + r$ 减小。
* 总电流 $I = E / R_{total}$ 增大。
* 电压表测 $R_0$ 两端电压 $U_0 = I R_0$,因为 $I$ 增大,$R_0$ 不变,所以 $U_0$ 增大。
* 修正答案:原题选项设置需调整。

重新设计检测题:
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