傳感器裝置的靈敏度和閾值

■潘蘭軍

隨著傳感器在現代技術各個領域中的廣泛應用,傳感器的相關知識已成為中學物理學習內容的一部分,各類考試中也常出現與傳感器相關的試題。因此與傳感器或自動控制裝置有關的概念,如靈敏度和閾值,應該引起同學們的重視。

一、傳感器的靈敏度

最近我們在一次練習中,對于其中一道題的解析,引起了同學們的廣泛討論,下面介紹這道題的兩種解法。

例題為了保證行車安全和乘客身體健康,動車上裝有煙霧報警裝置,其原理如圖1所示。煙霧傳感器的阻值RM隨著煙霧濃度的改變而變化,電阻R為可變電阻。車廂內有人抽煙時,煙霧濃度增大,導致S兩端的電壓增大,裝置發出警報。下列說法正確的是( )。

A.RM隨煙霧濃度的增大而增大

B.RM隨煙霧濃度的增大而減小

C.若要提高報警靈敏度可增大R

D.若要提高報警靈敏度可減小R

解法1：煙霧濃度增大導致S兩端的電壓增大,說明傳感器的阻值減小。要提高報警靈敏度即要使S兩端電壓達到相同臨界值時,煙霧濃度更小,傳感器的阻值比調整前更大,此時并聯部分的阻值和調整前相同,故可變電阻應當減小,選項B、D正確。(這是出題者給出的解析過程)

圖1

兩種解法得到了不同的答案,粗看都有道理,那么,問題出在哪里呢?經過分析我們發現,問題出在對“靈敏度”的理解上。

解法1來自于對靈敏度的另一種不夠正確的理解,即靈敏度是對微弱信號的感應能力。解釋為:當煙霧濃度更小時,裝置要能夠發出警報。因報警時RM的值更大,故要減小R,使并聯部分的阻值和調整前相同,裝置才能達到報警時的臨界電壓。

解法2正是根據靈敏度的定義得出的結論。假定R減小到很小,根據RM與R并聯電阻的總阻值取決于其中阻值較小的電阻可知,若R的阻值越小,則R并越接近R,煙霧濃度增大導致RM變小,但R并接近R,其值幾乎不變,則S分擔的電壓變化也就很小,報警靈敏度就將降低。

二、傳感器裝置的閾值

解法1中對靈敏度的說法更準確地說應該稱為閾值,又稱閾強度。閾強度是指釋放一個行為反應所需要的最小刺激強度。因此若將例題中的選項D改為:要使裝置在煙霧濃度更小時開始報警可減小R,則解法1便準確了。另外,人教版高中物理選修3-2第六章第3節,實驗:傳感器的應用,實驗1光控開關中講到,要想在天更暗時路燈才會點亮,應該把R1的阻值調大些還是調小些?實驗2溫度報警器中講到,怎樣能夠使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警?這里調節的應該是控制裝置的閾值,而不是靈敏度。