高中物理第5章传感器及其应用1揭开传感器的“面纱”课件鲁科版选修3_2-75张 75页

第 5 章　传感器及其应用 第 1 节　揭开传感器的 “ 面纱 ” 一、什么是传感器 1. 定义 : 能够感受外界信息 , 并将其按照一定的规律转 换成 _______ 的器件或装置。 2. 作用 : 传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中 , 担负着信息采集和转化任务 , 把 _______ 量转化为 _____ 量。 电信号 非电学 电学 二、种类繁多的传感器 1. 传感器的分类 : (1) 物理传感器 : ① 工作原理 : 利用物质的物理性质和 _________ 感知并 检测出待测对象信息。 ②特点 : 发展快、品种多、应用广等。 物理效应 (2) 化学传感器 : ① 工作原理 : 利用化学反应 _______________ 。 ②特点 : 广泛应用于环保、火灾报警、医疗卫生、家用 电器等。 识别和检测信息 (3) 生物传感器 : ① 工作原理 : 利用生物化学反应 _______________ 。 ②特点 : 专一性好、易操作、设备简单、测量 _______ ___ 、适用范围广。 识别和检测信息 快速准 确 2. 传感器的一般结构 : 【 思考辨析 】 (1) 传感器的作用是将电学量转换为非电学量。 ( 　　 ) (2) 白炽灯泡是传感器。 ( 　　 ) (3) 监测天气变化的气象卫星用到了传感器。 ( 　　 ) (4) 所有传感器的工作原理都一样。 ( 　　 ) (5) 传感器内部一定有某种转换元件。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。传感器的作用是将非电学量转换为电学量。 (2)× 。白炽灯泡不是传感器。 (3)√ 。气象卫星上装有将非电学量转化成电学量的装置 , 因此用到了传感器。 (4)× 。不同的传感器的原理不同 , 但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。 (5)√ 。传感器内部一定有某种转换元件。 一　传感器的构成及作用 考查角度 1 传感器的工作原理 【 典例 1】 (2019· 福州高二检测 ) 关于传感器 , 下列说法正确的是 A. 所有传感器的材料都是由半导体材料做成的 B. 金属材料也可以制成传感器 C. 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D. 以上说法都不正确 【 解析 】 选 B 。 半导体材料可以制成传感器 , 其他材料也可以制成传感器 , 如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计 , 所以 A 错误 ,B 正确 ; 传感器不但能感知电压的变化 , 还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量 , 所以 C 错误。 【 核心归纳 】 传感器的工作原理 : 传感器感受的通常是非电学量 , 如力、温度、光、声、位移、浓度、速度、酸碱度等 , 而输出的通常是电学量 , 如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的 , 通常需要经过放大后 , 再送给控制系统产生各种控制动作。 考查角度 2 传感器的构成及作用 【 典例 2】 传感器是一种采集信息的重要器件。如图所 示为测定压力的电容式传感器 ,A 为固定电极 ,B 为可动 电极 , 组成一个电容大小可变的电容器。可动电极两端 固定 , 当待测压力施加在可动电极上时 , 可动电极发生 形变 , 从而改变了电容器的电容。现将此 电容式传感器 与零刻度在中央的灵敏电流表和电源串联成闭合电 路 ① ， 已知 电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏 转 ② 。 当 待测压力增大时 ③ （ ） A. 电容器的电容将减小 B. 灵敏电流表指针在正中央零刻度处 C. 灵敏电流表指针向左偏转 D. 灵敏电流表指针向右偏转 【 审题关键 】 序号 信息提取 ① 电容器两端保持电压不变 ② 说明了电流方向的判断标准 ③ 电压增大 , 两极板的间距变小 【 解析 】 选 D 。压力增大 , 则电容器两极板的间距变小 , 电容变大。因为电容器两极板间电压不变 , 所以电容器要充电 , 电流从正接线柱到负接线柱流过电流表 , 指针向右偏。 【 核心归纳 】 1. 传感器的组成 : 传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路组成 , 有时还需要辅助电源。 2. 各组成部分的作用 : (1) 敏感元件 : 相当于人的感觉器官 , 是传感器的核心部分 , 是利用材料的某种敏感效应 ( 如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等 ) 制成的。 (2) 转换元件 : 传感器中能将敏感元件输出的、与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。 (3) 转换电路 : 将转换元件输出的不易测量的非电学量 ( 如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等 ) 转换成易于测量的电学量 ( 如电压、电流、电阻等 ) 。 【 过关训练 】 1. 传感器担负着信息采集的任务 , 通常是把被测的非电信息 , 按照一定的规律转化成与之对应的电信息的器件或装置。下列不属于传感器任务的是 ( 　　 ) A. 将力学量 ( 如形变量 ) 转变成电学量 B. 将热学量转变成电学量 C. 将光学量转变成电学量 D. 将电学量转变成力学量 【 解析 】 选 D 。传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的 ,D 正确。 2. 已知磁敏电阻在没有磁场时电阻很小 , 有磁场时电阻变大 , 并且磁场越强阻值越大。为探测磁场的有无 , 利用磁敏电阻作为传感器设计了如图所示的电路 , 电源的电动势 E 和内阻 r 不变 , 在没有磁场时调节变阻器 R 使电灯 L 正常发光 , 若探测装置从无磁场区进入强磁场区。则 ( 　　 ) A. 电灯 L 变暗　　　　　　　 B. 电灯 L 亮度不变 C. 电流表的示数增大 D. 电流表的示数减小 【 解析 】 选 D 。探测装置从无磁场区进入强磁场区 , 磁 敏电阻阻值变大 , 则闭合电路的总电阻 R 总 变大 , 由闭合 电路欧姆定律知 , 电路中的电流 I= 减小 , 电流表的示 数减小 , 故选项 C 错误、选项 D 正确 ; 由 U 灯 =E-Ir 可知 U 灯 变大 , 电灯 L 变亮 , 故选项 A 、 B 错误。 【 补偿训练 】 1.( 多选 ) 关于传感器 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 传感器是将非电学量转化为电学量的装置 B. 压力传感器是将力学量转化为电学量的装置 C. 话筒中的传感器将电信号转化为声音信号 D. 传感器广泛应用于信息采集系统 【 解析 】 选 A 、 B 、 D 。传感器是这样一类元件 : 它是能 够感受外界信息 , 并将其按照一定的规律转换成电信息 的器件或装置 , 即将非电学量转化为电学量的元件 , 故 A 对 ; 压力传感器就是将力学量转化为电学量的装置 , 故 B 对 ; 话筒中的传感器是声传感器 , 它将声音信号转化为 电信号 , 不是将电信号转化为声音信号 , 故 C 错 ; 传感器 应用在自动测量和自动控制系统中 , 担负着信息采集和转化任务 , 故 D 对。 2. 下列关于传感器说法正确的有 ( 　　 ) A. 通常传感器可以直接用来进行自动控制 B. 传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量 C. 传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量 D. 传感器是将信息转化为电压输出 【 解析 】 选 B 。通常传感器输出的电学信号非常微弱 , 要经过放大 , 再送给控制系统产生各种控制动作 ,A 错误 ; 传感器通过采集力、温度、光、声、磁场、化学成分 等信息 , 按一定规律转换为电压、电流、电阻等电学量 或电路的通断 , 传感器并不能将所有非电学信号都转换 为电学量 , 故 B 正确 ,C 错误 ; 传感器既可以将信息转化为 电压输出 , 也可以转化为电流、电阻等输出 ,D 错误。 3. 关于传感器工作的一般流程 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B. 电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C. 非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D. 非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 【 解析 】 选 C 。传感器工作的一般流程为 二　三类传感器的异同及常见传感器的应用 考查角度 1 三类传感器的异同 【 典例 1】 关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的下列说法中 , 正确的是 ( 　　 ) A. 物理传感器是利用材料的某种物理性质工作的 , 因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域 B. 化学传感器是利用某种化学反应来工作的 , 因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量 C. 生物传感器的适用范围广 , 可在任意温度条件下工作 D. 生物传感器由于含有生命物质 , 因而对使用传感器的环境条件有一定要求 【 解析 】 选 D 。不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出 , 故 B 错。物理传感器在化工领域也可以使用 , 如温度传感器等 , 故 A 错。生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性 , 故 C 错、 D 对。 【 核心归纳 】 三类传感器的异同 : (1) 相同点 : 都能将感受到的非电学量信息转化成电学量 , 都是利用敏感元件的某种敏感效应制成的。 (2) 不同点 : 三类传感器的工作原理不同 , 所利用的敏感元件的敏感效应不同。生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于生物传感器的感受器中含有生命物质。 【 易错提醒 】 传感器问题的三点注意 (1) 不同的传感器的原理不同 , 但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。 (2) 传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等 , 不一定是电压。 (3) 敏感元件只是传感器的一个关键部分并不一定就是一个完整的传感器。 考查角度 2 常见传感器的应用 【 典例 2】 ( 多选 ) 传感器是一种采集信息的重要器件 , 如图所示是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路 , 当待测压力 F 作用于可动膜片电极上时 , 以下说法中正确的是 A. 当 F 向上压膜片电极时 , 电容将减小 B. 当 F 向上压膜片电极时 , 电容将增大 C. 若电流表有示数 , 则压力 F 发生变化 D. 若电流表有示数 , 则压力 F 不发生变化 【 解析 】 选 B 、 C 。测定压力的传感器 , 实际上是由固定 电极和膜片电极组成的平行板电容器 , 当 F 向上压膜片 电极时 , 极板间距离 d 减小 , 由 C= 可知 , 电容 C 将增大 , 故 B 是正确的 ; 若电流表有示数 , 说明电容 C 在变化 , 由此 推测压力 F 在发生变化 , 故 C 正确。 【 核心归纳 】 一些常见的传感器的特点及原理 : 传 感 器 输 入 量 输 出 量 工作原理 光电二极管 光 电压 光电效应 湿敏电阻 湿度 电压 ( 电阻 ) 感湿材料电阻随湿度发生变化 话筒 声音 电流 电磁感应 传 感 器 输 入 量 输 出 量 工作原理 加速度 传感器 加速度 电压 电磁感应 热电偶 温度 电压 热电效应 酒精气体传感器 酒精气体 电阻 化学反应后引起电阻变化 【 过关训练 】 1. 一同学在沿竖直方向运行的电梯中做实验 , 将重物置于放在电梯水平地板上的压力传感器的表面 ; 将加速度传感器固定于电梯内。在电梯运行过程中加速度传感器的示数 a 随时间 t 变化的图线如图所示 , 以竖直向上方向为 a 的正方向 , 则以下判断正确的是 ( 　　 ) A.t=0 到 4 s 的时间段内压力传感器的示数小于重物的重力值 B.t=7 s 到 10 s 的时间段内压力传感器的示数大于重物的重力值 C.t=2 s 时压力传感器的示数是重物重力值的 2 倍 D.t=8.5 s 时压力传感器的示数是重物重力值的 0.7 倍 【 解析 】 选 D 。由图可知 , 则 t=0 到 4 s 的时间段内物体 的加速度为向上的方向 , 则物体处于超重状态 , 则压力 传感器的示数大于重物的重力值 , 选项 A 错误 ;t=7 s 到 10 s 的时间段内物体的加速度为向下的方向 , 物体处于 失重状态 , 故压力传感器的示数小于重物的重力值 , 选 项 B 错误 ;t=2 s 时物体的加速度为向上的 2 m/s 2 , 根据 牛顿第二定律可知 :F N -mg=ma, 解得 F N =1.2mg, 选项 C 错 误 ;t=8.5 s 时物体的加速度为向下的 3 m/s 2 , 根据牛顿第二定律可知 :mg-F N =ma, 解得 F N =0.7mg, 则压力传感器的示数是重物重力值的 0.7 倍 , 选项 D 正确 ; 故选 D 。 2. ( 多选 ) 有定值电阻、热敏电阻、光敏 电阻三只元件 , 将这三只元件分别接入如 图所示电路中的 A 、 B 两点后 , 用黑纸包住 元件或者把元件置入热水中 , 观察欧姆表 的示数 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 置入热水中与不置入热水中相比 , 欧姆表示数变化较大 , 这只元件一定是热敏电阻 B. 置入热水中与不置入热水中相比 , 欧姆表示数不变化 , 这只元件一定是定值电阻 C. 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比 , 欧姆表示数变化较大 , 这只元件一定是光敏电阻 D. 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比 , 欧姆表示数相同 , 这只元件一定是定值电阻 【 解析 】 选 A 、 C 。热敏电阻的阻值随温度变化而变化 , 定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度变化 ; 光敏电阻的阻值随光照变化而变化 , 定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照变化。故正确答案为 A 、 C 。 3. 惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中 , 这个 系统的重要元件之一是加速度计。加速度计的构造原 理示意图如图所示 , 沿导弹长度方向安装的固定光滑杆 上套一质量为 m 的滑块 , 滑块两侧分别与劲度系数均为 k 的弹簧相连 ; 两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来 静止 , 弹簧处于自然长度。滑块上有指针 , 可通过标尺 测出滑块的位移 , 然后通过控制系统进行制导。设某段时间内导弹沿水平方向运动 , 指针向左偏离 O 点的距离为 s, 则这段时间内导弹的加速度 ( 　　 ) A. 方向向左 , 大小为 B. 方向向右 , 大小为 C. 方向向左 , 大小为 2 D. 方向向右 , 大小为 2 【 解析 】 选 D 。当指针向左偏离 O 点的距离为 s 时 , 与滑 块相连的左边弹簧被压缩 s, 右边弹簧被拉伸 s, 因而弹 簧对滑块的弹力的大小均为 ks, 且方向均水平向右 , 即 滑块受到的合力大小为 2ks, 方向水平向右。由牛顿第 二定律可知 a= , 选项 D 正确。 4. 将金属块 m 用压缩的轻弹簧卡在一个矩形 的箱中 , 如图所示 , 在箱的上顶板和下底板 装有压力传感器 , 箱可以沿竖直方向运动。 当箱以 a=2.0 m/s 2 的加速度竖直向上做匀减速运动时 , 上顶板的传感器显示的压力为 6.0 N, 下底板的传感器 显示的压力为 10.0 N 。 (g 取 10 m/s 2 ) 世纪金榜导 学号 (1) 若上顶板压力传感器的示数是下底板传感器的示数的一半 , 试判断箱的运动情况。 (2) 要使上顶板传感器的示数为零 , 箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的 ? 【 解析 】 (1) 下底板传感器的示数等于轻弹簧的弹力 F, 金属块受力如图所示 , 上顶板的压力为 F N =6.0 N, 金属块受到上顶板向下的压力、弹簧向上的弹力 F=10.0 N 和向下的重力 mg, 加速度为 a, 方向向下。 由牛顿第二定律有 mg+F N -F=ma, 求得金属块的质量 m=0.5 kg 。 当上顶板传感器的示数是下底板传感器示数的一半时 , 弹簧的弹力仍是 F=10.0 N, 则上顶板的压力为 , 设箱 和金属块的加速度为 a 1 , 有 mg+ -F=ma 1 , 解得 a 1 =0, 表明箱处于静止状态或匀速 直线运动状态。 (2) 当上顶板的压力恰好等于零时 , 有 mg-F=ma 2 , 解得加速度 a 2 =-10 m/s 2 , 负号表示加速度方向向上。 若箱和金属块竖直向上的加速度大于 10 m/s 2 , 弹簧将被进一步压缩 , 金属块要离开上顶板 , 上顶板压力传感器的示数也为零 , 只要竖直向上的加速度大于或等于 10 m/s 2 , 不论箱是向上加速运动或向下减速运动 , 上顶 板压力传感器的示数都为零。 答案 : 见解析 【 补偿训练 】 1. 电子打火机的点火原理是压电效应 , 压电片在受压时会在两侧形成电压 , 且电压大小与压力近似成正比 , 现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器 , 如图所示。压电片安装在电梯地板下 , 电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压 , 若发现电压表示数增大 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 电梯一定加速上升 B. 电梯一定减速下降 C. 电梯加速度一定向上 D. 电梯加速度一定向下 【 解析 】 选 C 。由题意知 , 电压表示数增大说明电梯地板对压电片压力增大 , 故电梯处于超重状态 , 加速度一定向上 ,C 对 ,D 错 ; 但电梯可能加速上升也可能减速下降 ,A 、 B 错。 【 补偿训练 】 2. 传感器的种类多种多样 , 其性能也各不相同。空调机在室内温度达到设定的温度后 , 会自动停止工作 , 空调机内使用的传感器是 ( 　　 ) A. 生物传感器　　　　　　　 B. 红外传感器 C. 温度传感器　　　　　　　 D. 压力传感器 【 解析 】 选 C 。空调机是根据温度调节工作状态的 , 所以其内部使用了温度传感器 , 故选项 C 正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 传感器与圆周运动知识综合 【 典例 】 如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量 车速和行程的装置示意图 ,A 为光源 ,B 为光电接收器 , A 、 B 均固定在车身上 ,C 为小车的车轮 ,D 为与 C 同轴相连 的齿轮。车轮转动时 ,A 发出的光束通过旋转齿轮上齿 的间隙后变成脉冲光信号 , 被 B 接收并转换成电信号 , 由 电子电路记录和显示 , 若实验显示单位时间内的脉冲数为 n, 累计脉冲数为 N, 则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是 ______; 小车速度的表达式为 v=________; 行程的表达式为 s=______ 。  【 解析 】 小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车 轮转动圈数的乘积。设车轮的半径为 R, 单位时间内车 轮转动圈数为 k, 则有 v=2πRk 。若齿轮的齿数为 P, 则齿 轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为 P, 已知单位时间 内的脉冲数为 n, 所以单位时间内齿轮转动圈数为 。 由于齿轮与车轮同轴相连 , 它们在单位时间内转动圈数 相等 , 即 k= 。由以上两式可得 v= 。 同理 , 设车轮转动的累计圈数为 k′, 则有 s=2πRk′, 且 k′= , 所以 s= 。 可见 , 要测出小车的速度 v 和行程 s, 除知道单位时间内 的脉冲数 n 和累计脉冲数 N 外 , 还必须测出车轮半径 R 和 齿轮的齿数 P 。 答案 : 车轮半径 R 和齿轮的齿数 P