高中物理第三章传感器1传感器课件-48张 48页

　 第三章　传　感　器 1. 传　感　器　 一、传感器 1. 定义 : 把被测的 _________, 按一定规律转换成与之 对应的 _______ 的器件或装置。 2. 结构 : 由 _____ 元件和处理电路组成。 非电信息 电信息 敏感 二、敏感元件的原理 1. 原理 : 利用物理学中能直接感受到的 _________ 转换 成易于测量的物理量 , 形成电信号。 2. 敏感元件分类 : (1) 物理类 : 基于 ___ 、热、光、电磁和声等物理效应。 (2) 化学类 : 基于 _________ 原理。 (3) 生物类 : 基于酶、 _____ 和激素等分子识别功能。 非电信息 力 化学反应 抗体 3. 热敏电阻的特性 : 热敏电阻是用 _______ 材料制成的 , 它具有电阻随 _____ 灵敏变化的特性 , 可以实现对 _____ 的测量。 4. 干簧管的工作原理 : 干簧管可以感受外界磁场 , 当干 簧管的两个铁质簧片处有磁场时 , 两簧片 _____, 在磁力 作用下由原来的分离状态变成闭合状态 , 磁场减弱时两 簧片又分开。在电路中的作用就是一个磁控 _____ 。 半导体 温度 磁化 开关 温度 【 思考辨析 】 (1) 传感器的作用是将电信息转换为非电信息。 ( 　　 ) (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) 防烧干水壶内安装了温度传感器。 ( 　　 ) (5) 热敏电阻属于转换元件。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。传感器的作用是将非电信息转换为电信息。 (2)× 。白炽灯泡不是传感器。 (3)√ 。气象卫星上装有将非电信息转化成电信息的装置 , 因此用到了传感器。 (4)× 。安装的是压力传感器 , 当水减少到一定程度 , 压力减小 , 压力传感器切断电路。 (5)× 。热敏电阻属于敏感元件。 一　对传感器的认识 【 典例 】 温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和 微波炉等家电产品中 , 它是利用热敏电阻的阻值随温度 的变化而变化的特性工作的。如图甲中 , 电源的电动势 E=9.0 V, 内电阻可忽略不计 ;G 为灵敏电流表 , 内阻 R g 保 持不变 ;R 为热敏电阻 , 其电阻值与温度的变化关系如图乙的 R -t 图线所示 , 闭合开关 , 当 R 的温度等于 120 ℃ 时 , 电流表示数 I 1 =3 mA, 求 : (1) 电流表 G 的内阻 R g 。 (2) 当电流表的示数 I 2 =1.8 mA 时 , 热敏电阻 R 的温度。 【 解题探究 】 (1) 由乙图可知热敏电阻与 _____ 的关系。 (2) 由闭合电路的电流的变化确定 _____________ 的变 化。 温度 热敏电阻阻值 【 正确解答 】 (1) 由图乙知热敏电阻 R 的温度在 120 ℃ 时 , 电阻为 2 kΩ, 闭合电路的电流为 I 1 =3 mA 根据闭合电路欧姆定律得 : R g = -R=( -2×10 3 ) Ω=1 000 Ω (2) 当电流表的示数 I 2 =1.8 mA 时 R= -R g =( -1×10 3 ) Ω=4 000 Ω 由图乙可知当热敏电阻 R 阻值为 4 000 Ω 时的温度 为 20 ℃ 。 答案 : (1)1 000 Ω 　 (2)20 ℃ 【 核心归纳 】 1. 传感器的组成 : (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 : 是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电信息转换成易于测量的电信息 , 如电压、电流、电阻等。 2. 传感器的原理 : 传感器感受的通常是非电信息 , 如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等 , 而输出的通常是电信息 , 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 , 再传送给控制系统产生各种控制动作。 【 过关训练 】 1. 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 : 非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量 , 因此 A 、 B 、 D 错 ,C 对。 2. 如图所示是某种汽车上的一种自动测 定油箱内油面高度的装置。 R 是滑动变阻 器 , 它的金属滑片是杠杆的一端 , 从油量表 ( 由电流表改装而成 ) 指针所指的刻度 , 就可以知道油箱 内油面的高度 , 当滑动变阻器的金属片向下移动时 ( 　　 ) A. 电路中的电流减小 , 油箱内油面降低 B. 电路中的电流减小 , 油箱内油面升高 C. 电路中的电流增大 , 油箱内油面降低 D. 电路中的电流增大 , 油箱内油面升高 【 解析 】 选 D 。油面升高 , 金属片向下移动 ,R 接入电路中的电阻减小 , 电路中电流增大 , 所以选项 D 正确。 【 补偿训练 】 传感器是把非电学量 ( 如 温度、速度、压力等 ) 的变化转换为电学 量变化的一种元件 , 在自动控制中有着相 当广泛的应用。如图是一种测量液面高度 h 的电容式传 感器的示意图。电容 C 大小的变化就能反映液面的升降 情况。关于两者关系的说法中正确的是 ( 　　 ) A.C 增大表示 h 减小　　 B.C 减小表示 h 增大 C.C 减小表示 h 减小 D.C 的变化与 h 变化无直接关系 【 解析 】 选 C 。 C 增大表示电容器的正对面积变大 ,h 增大 ,C 减小表示 h 减小 , 故 C 正确。 二　三类传感器的异同和应用 【 典例 】 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 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 【 解题探究 】 (1) 各种传感器的作用是什么 ? 提示 : 各种传感器的作用都是把非电学量转换成电学量。 (2) 各种传感器的工作原理是否相同 ? 提示 : 由于不同的传感器是把不同的物理量转换为电学量 , 所以各种不同的传感器的工作原理不同。 【 正确解答 】 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 】 1. 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。 2. 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 加速度 传感器 加速度 电压 电磁感应 传 感 器 输 入 量 输 出 量 工作原理 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 【 特别提醒 】 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。 【 过关训练 】 1. 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。 2.(2019· 内江高二检测 ) 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小 , 在升降机中将重物放在压敏电阻上 , 压敏电阻接在如图甲所示的电路中 , 电流表示数变化如图乙所示 , 某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A.0 ～ t 1 时间内 , 升降机一定匀速运动 B.0 ～ t 1 时间内 , 升降机可能匀减速上升 C.t 1 ～ t 2 时间内 , 升降机可能匀速上升 D.t 1 ～ t 2 时间内 , 升降机可能匀加速上升 【 解析 】 选 B 。因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小 , 由图乙可知 0 ～ t 1 时间内 , 电路中的电流不变 , 则压敏电阻受到的压力不变 , 升降机可能匀速运动 , 也可能匀加速上升或下降 , 还可能匀减速上升或下降 , 所以选项 B 正确 ,A 错误 ;t 1 ～ t 2 时间内 , 电路中的电流均匀变大 , 则压敏电阻受到的压力均匀增大 , 升降机可能做加速度变大的加速上升 , 或减速下降 , 故选项 C 、 D 错误。 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。 【 补偿训练 】 关于传感器的下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 所有传感器都是由半导体材料制成的 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 , 所以 A 、 D 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的变化 , 所以 C 错。 【 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=________ 。  【 正确解答 】 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