传感器装置的灵敏度和阈值

■潘兰军

随着传感器在现代技术各个领域中的广泛应用,传感器的相关知识已成为中学物理学习内容的一部分,各类考试中也常出现与传感器相关的试题。因此与传感器或自动控制装置有关的概念,如灵敏度和阈值,应该引起同学们的重视。

一、传感器的灵敏度

最近我们在一次练习中,对于其中一道题的解析,引起了同学们的广泛讨论,下面介绍这道题的两种解法。

例题为了保证行车安全和乘客身体健康,动车上装有烟雾报警装置,其原理如图1所示。烟雾传感器的阻值RM随着烟雾浓度的改变而变化,电阻R为可变电阻。车厢内有人抽烟时,烟雾浓度增大,导致S两端的电压增大,装置发出警报。下列说法正确的是( )。

A.RM随烟雾浓度的增大而增大

B.RM随烟雾浓度的增大而减小

C.若要提高报警灵敏度可增大R

D.若要提高报警灵敏度可减小R

解法1：烟雾浓度增大导致S两端的电压增大,说明传感器的阻值减小。要提高报警灵敏度即要使S两端电压达到相同临界值时,烟雾浓度更小,传感器的阻值比调整前更大,此时并联部分的阻值和调整前相同,故可变电阻应当减小,选项B、D正确。(这是出题者给出的解析过程)

图1

两种解法得到了不同的答案,粗看都有道理,那么,问题出在哪里呢?经过分析我们发现,问题出在对“灵敏度”的理解上。

解法1来自于对灵敏度的另一种不够正确的理解,即灵敏度是对微弱信号的感应能力。解释为:当烟雾浓度更小时,装置要能够发出警报。因报警时RM的值更大,故要减小R,使并联部分的阻值和调整前相同,装置才能达到报警时的临界电压。

解法2正是根据灵敏度的定义得出的结论。假定R减小到很小,根据RM与R并联电阻的总阻值取决于其中阻值较小的电阻可知,若R的阻值越小,则R并越接近R,烟雾浓度增大导致RM变小,但R并接近R,其值几乎不变,则S分担的电压变化也就很小,报警灵敏度就将降低。

二、传感器装置的阈值

解法1中对灵敏度的说法更准确地说应该称为阈值,又称阈强度。阈强度是指释放一个行为反应所需要的最小刺激强度。因此若将例题中的选项D改为:要使装置在烟雾浓度更小时开始报警可减小R,则解法1便准确了。另外,人教版高中物理选修3-2第六章第3节,实验:传感器的应用,实验1光控开关中讲到,要想在天更暗时路灯才会点亮,应该把R1的阻值调大些还是调小些?实验2温度报警器中讲到,怎样能够使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警?这里调节的应该是控制装置的阈值,而不是灵敏度。