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1.3 传感器的分类

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 传感器是将非电学量(如力、热、光、声)转换为电学量(如电压、电流、电阻)的元件或装置。

从哪来 本知识点建立在7.1 交变电流图像之上。理解传感器输出信号(如正弦波、方波)随时间变化的规律,需借助交变电流图像中“瞬时值-时间”关系的分析能力,以识别传感器采集到的动态电信号特征。

为什么 传感器分类的核心依据是“敏感元件的工作原理”。 自然界中的物理量(非电学量)无法直接被计算机或电路处理,必须转化为电信号。不同物理量引起材料物理性质变化的机制不同: 1. 力导致形变,改变电阻(电阻应变片)或电容(极板距离变化); 2. 光激发电子跃迁,改变电阻(光敏电阻)或产生电动势(光电池); 3. 热改变载流子浓度,改变电阻(热敏电阻)或产生温差电动势(热电偶)。 因此,分类不是按用途,而是按“输入量→物理效应→输出电学量”这一转换链条中的核心物理效应来划分的。

生活类比法
适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 将传感器比作“翻译官”。 - 光敏电阻是“光语翻译官”:看到光(输入),就改变自己的“性格”(电阻变小),让电流(输出)变大。 - 热敏电阻是“温度翻译官”:感觉到热(输入),电阻就变小(NTC)或变大(PTC),从而改变电流。 - 霍尔元件是“磁场翻译官”:检测到磁场(输入),就在垂直方向产生电压(输出)。 强调:分类就是看这位“翻译官”擅长翻译哪种“语言”(物理量),以及它用什么方式(电阻、电压、电流)来汇报。
控制框图法
适合逻辑严密、擅长系统思维的学生。 画出通用模型:`非电学量 X` → `[敏感元件]` → `电学量 Y` → `[放大/处理电路]` → `信号`。 分类依据是中间方括号内的物理效应: 1. 电阻式:X 改变 R(如力→应变片,热→热敏,光→光敏)。 2. 电容式:X 改变 C(如位移→极板距离,液位→正对面积)。 3. 电感式:X 改变 L(如位移→铁芯位置)。 4. 电动势式:X 直接产生 E(如磁→霍尔,光→光伏,热→热电偶)。 让学生根据输入量 X 和输出量 Y 的关系,反推属于哪一类。
实验探究法
适合动手能力强、喜欢实证的学生。 提供三组器材: 1. 光敏电阻 + 光照度计 + 万用表:测不同光照下的电阻值,记录数据,发现“光强↑,R↓”。 2. 热敏电阻 + 温度计 + 万用表:测不同温度下的电阻值,发现“温度↑,R↓(NTC)”。 3. 霍尔元件 + 磁铁 + 电压表:移动磁铁,观察电压变化,发现“B↑,U_H↑”。 结论:分类不是死记硬背,而是看哪个物理量直接影响了哪个电学参数。
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练一道
基础题
某自动门使用红外传感器检测人体。当人走近时,传感器接收到人体辐射的红外线增强,内部光敏电阻阻值减小,导致控制电路电流增大,触发开门。请问该传感器属于哪一类?其核心转换原理是什么?
变式
某电子秤使用电阻应变片。当物体压在秤盘上时,金属梁发生微小形变,粘贴在梁上的应变片随之拉伸或压缩,导致其电阻发生变化。若已知应变片材料电阻率为 $\rho$,横截面积为 $S$,长度为 $L$,形变量为 $\Delta L$。请推导电阻变化量 $\Delta R$ 与形变量 $\Delta L$ 的关系,并说明该传感器属于哪一类。
试试手自己判
检测题
某智能手环中,使用压电陶瓷片检测用户运动时的冲击力。当受到冲击时,陶瓷片发生形变,其表面产生电荷,进而产生电压信号。请问: (1) 该传感器属于哪一类? (2) 其核心物理效应是什么? (3) 若将压电陶瓷片换成电阻应变片,输出信号类型有何不同?
看答案和判分标准
答案:(1) 力电式传感器(或压电式传感器)。 (2) 压电效应(正压电效应)。 (3) 压电陶瓷片输出的是电荷/电压(主动式,无需外部电源即可产生信号);电阻应变片输出的是电阻变化(被动式,需外部激励电源才能转换为电压/电流信号)。
判对标准:
- (1) 答出“压电式”或“力电式”得1分。
- (2) 答出“压电效应”得1分。
- (3) 明确指出压电式产生电压/电荷,应变式改变电阻,且说明后者需外部电源,得2分。仅答“不同”不得分。
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