高二第六章传感器.doc

第六章 传感器
【知识要点提示】 第一节 传感器及其工作原理
一．传感器：传感器是指这样一类元件，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等 量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等＿＿＿量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
1．传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为 信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。
2．生产和生活中传感器的应用很多，常见的传感器有：力传感器、声传感器、温度传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器、位移传感器 、液面传感器 、速度传感器 、加速度传感器、热敏传感器、射线辐射传感器、振动传感器、 湿敏传感器、真空度传感器等等。
二．常见传感器元件
1．光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把 这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。
2．金属热电阻和热敏电阻：① 金属热电阻的电阻率随温度的升高而 ，用金属丝可以制作 传感器，称为 。它能把 这个热学量转换为 这个电学量。② 热敏电阻（由半导体材料制成）的电阻率则随温度的升高而 ，也可以用来制做温度传感器。金属热电阻的 好，测温范围 ，但 较差。
3．电容式位移传感器能够把物体的 这个力学量转换为 这个电学量。
4．霍尔元件能够把 这个磁学量转换为电压这个电学量。
5．电感式位移传感器能够把物体的 这个力学量转换为 这个电学量。
第二节 传感器的应用实例(一)
一．力传感器的应用-----电子秤
1．电子秤里有 片、电压放大器、模数转换器、微处理器和数字显示器等器件。应变片（多用半导体材料制成）受到力的作用时 ,它的 会发生变化,把应变片放在合适的电路中，它能够把物体的 这个力学量转换为 这个电学量。
2．工作原理如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变 ，下表面应变片的电阻变 。F越大, 弯曲形变＿＿＿， 应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,那末上面应变片两端的电压 ， 下面应变片两端的电压 。传感器把这两个电压的差值输出.外力越大, 输出的电压差值也就＿＿＿ 。
二．声传感器的应用----话筒
1．话筒是一种常用的 ，其作用是把 转换成
话筒分为： 、 、 等几种。
2．电容式话筒原理：是绝缘支架,薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压（参考课本上的原理图）。
3．驻极体话筒：它的特点是 ， ， ， 。其工作原理同电容式话筒类似，只是其内部感受声波的是 。
三．温度传感器的应用-----电熨斗
1．在电熨斗中，装有双金属片温度传感器，其作用是 ，当温度发生变化时, 双金属片的 不同，从而能控制电路的通断。
2．电熨斗的自动控温原理：常温下，上、下触点是接触的,但温度过高时，由于双金属片的热膨胀系数不同，上部金属膨胀系数 ，下部金属膨胀系数 ，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热。温度降低后, 双金属片恢复原状，重新接通电源，从而保持温度不变。
第三节 传感器的应用（二）
一．温度传感器的应用——电饭锅
1．电饭锅中的温度传感器主要元件是 ，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。
2．感温铁氧体是用 、 和 混合烧制而成的。
二．温度传感器的应用——测温仪
1．温度传感器可以把 转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来。
2．测温仪中的测温元件可以是 、 、 等，还可以是 等。
三．光传感器的应用——鼠标器、火灾报警器
1．机械式鼠标器内的码盘两侧分别装有红外发射管和红外接受管，两个红外接受管就是两个 。
2．有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。
第四节 传感器的应用实例
一．普通二极管和发光二极管
1．二极管具有 导电性。
2．发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能 。普通的发光二极管是用磷化镓和磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能。该类发光二极管的正向导通电压大于1.8v。
二．逻辑电路
1．对于与门电路，只要一个输入端输入为“＿＿”，则输出端一定是“０”；反之，只有当所有输入都同时为“ ”，输出才是“１”。
2．对于或门电路，只要有一个输入“ ”，则输出一定是“１”；反之，只有当所有输入都同时为“ ”时，输出才是“０”。
3．非门电路中，当输入为“０”时，输出总是“ ”；当输入为“１”时输出反而是“ ”。非门电路也称为反相器。
4．与非门电路是一个与门的输出端和一个非门的输入端相连形成的组合门电路；或非门电路也是一个组合门电路，是一个或门的输出端和一个非门的输入端相连形成的
【熟练掌握题例】
1．利用半导体可以制成
　 A．标准电阻　 B．热敏电阻 　 C．光敏电阻　 D．晶体管
2．下列说法正确的是
A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
B．电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控制电路的通断
C．电子秤所使用的测力装置是力传感器
D．热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
3．下列方法有可能使半导体材料的电阻率减小的是
A．升高半导体的温度 B．降低半导体的温度
C．在半导体中加入微量其他杂质　　D．用光来照射半导体
如图1
4．有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三种元件，将这三种元件分别接入如图1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．入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这种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，这种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，这种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，这种元件一定是定值电阻
如图2
5．如图2所示是一种延时开关，当闭合时，电磁铁将衔铁吸下，将Ｃ线路接通，当断开时，由于电磁作用，Ｄ将延迟一段时间才被释放，则正确的是
Ａ．由于Ａ线圈的电磁感应作用，才产生延时释放Ｄ
Ｂ．由于Ｂ线圈的电磁感应作用，才产生延时释放Ｄ
Ｃ．如果断开Ｂ线圈的开关Ｓ２，无延时作用
Ｄ．如果断开Ｂ线圈的开关Ｓ２，延时将变长

6．如图3是温度报警器电路示意图，RT是热敏电阻， R1是滑动变阻器，A与Y之间接有非门电路，下列关于对此电路的分析正确的是
如图3
A．当RT的温度升高时，RT减小,A端电势降低，Ｙ 端电势升高，蜂鸣器会发出报警声
B．当RT的温度升高时，RT减小，A端电势升高，Ｙ端电势降低，蜂鸣器会发出报警声
C．要使报警温度提高， R1的滑动触头应向下移动 D．要使报警温度提高， R1的滑动触头应向上移动
如图4
如图5
如图6
7．如图4所示多用电表的选择开关至于欧姆挡，将一光敏电阻接入多用电表 两表笔上，用光照射光敏电阻时，表针的偏角为；用手掌挡住部分光线，表针的偏角为 ，则 （填：大于、小于、 等于）

8．如图5所示，Ｒ１、Ｒ２为定值电阻，Ｌ为小灯泡，Ｒ３为光敏电阻，当照射光强度增大时,电压表的示数将 ，电阻Ｒ２中的电流强度将 ，小灯泡的功率将 ，电源的路端电压将 。
9．如图6所示为一测定液面高低的传感示意图，Ａ为固定的导体芯，Ｂ为导体芯外面的一层绝缘物质，Ｃ为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同．如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度ｈ正在
如图7
10．热敏电阻能够将 信号转化为电阻信号．话筒能将 信号转化为 信号．霍尔元件能将 信号转化为 信号．
11．如图7所示为光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻,当有较强的光照在RG上，二极管 。如果要想在天更暗时路灯才会亮，应将Ｒ1的阻值调 。
如图8
12．角速度计可测得航天器自转的角速度ω，其结构如图8所示，当系统OO１转动时，元件A在光滑杆上发生滑动，并输出电信号成为航天器的制导信号源．已知A质量为m，弹簧的劲度系数为k，原长为Ｌo，电源电动势为Ｅ，内阻不计．滑动变阻器总长为Ｌ，电阻分布均匀，系统静止时滑动变阻器滑动触头Ｐ在中点，与固定接头Ｑ正对，当系统以角速度ω转动时，求：
（1）弹簧形变量ｘ与ω的关系式
（2）电压表的示数Ｕ与角速度ω的函数关系

13．电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（单位时间内通过管内横截面流体的体积）.为了简化，假设流量计是如图9所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中ａ、ｂ、ｃ．流量计的两端与输送流体的管道相连接（图中虚线）．图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料。现于流量计所在处加磁感应强度为Ｂ的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面．当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下表面分别与一串接了电阻Ｒ的电流表两端连接，Ｉ表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻。试证明流量Ｑ＝

14．如图10所示，电饭锅是一种可以自动煮饭并自动保温，又不会把饭烧焦的家用电器．它的电路由控制部分ＡＢ和工作部分ＢＣ组成．Ｋ1是限温开关，手动闭合，当温度达到103o时自动断开，不能自动闭合。Ｋ2是自动开关，当温度超过80o时自动断开，温度低于70o时自动闭合．R2是限流电阻，阻值2140，Ｒ1是工作电阻，阻值６0．锅中放好适量的米和水，插电源（220V，50HZ），手动闭合Ｋ1后，电饭锅就能自动煮好米饭并保温．试问：　
（1）加热过程电饭锅消耗的电功率Ｐ1是多大？Ｋ1与 Ｋ2都断开时电饭锅消耗的电功率Ｐ２是多大？
（２）插上电源后没有手动闭合Ｋ1，能煮熟饭吗？为什么？
如图10

【知识要点提示参考答案】
第一节 一．非电学、电学 1．电 二．1．光照强弱 2．① 增大、温度、热电阻、温度、电阻 ② 减小、化学稳定性、大、灵敏度 3．位移、电容 4．磁感应强 5．位移、自感系数 第二节 一．1．应变、电阻值、形变、电压 2．大、小、越大、变大、变小、越大 二．1．声传感器、声信号、电信号、动圈式话筒、电容式话筒、驻极体话筒 3．体积小、重量轻、价格便宜、灵敏度高 、驻极体塑料薄膜 三．1．控制电路的通断、膨胀系数、大、小 第三节 一．1．感温铁氧体 2．氧化锰、氧化锌、氧化铁粉末 二．1．温度 2．热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线敏感元件三．1．光传感器 第四节 一．1．单向 2．发光 二．1．0、1 2．1、0 3．1、0
【熟练掌握题例答案】
1．BCD　 2．BCD 3．ACD　4．AC　5．BC　6．BC　7．小于　8．增大、减小、增大、减小 　9．减小　 １0．温度、 声音、 电流、 磁场、电压　 11．不发光、大　12．解：（1） 当系统绕OO/ 转动时，物块A在光滑杆上发生滑动，设弹簧的形变量为x，
由牛顿第二定律：Ｆ＝ｍω2R得 kx=ｍω2(Lo＋ｘ) 所以ｘ＝ｍω2／Lo/(k-ｍω2)
（２） 电压表的示数Ｕ=E=ｍω2LoE／L(k-ｍω2)
13．解：电磁流量计在电路中起电源的作用，当开关断开时，电磁流量计两引线间的电压为电源的电动势，用E表示, 设管中流体的流速为V，分析其中的一个离子，由平衡条件得 电源的内阻为 根据闭合电路欧姆定律 得
流过流量计的流量 Q=Vbc=) 14．解：（1）加热过程中（手动开关闭合），电饭锅消耗的功率为，K1、K2都断开时电饭锅消耗的功率为 （2）若Ｋ1未闭合，开始时锅内温度低，K2总是闭合的，R2被短路，功率为Ｐ1，锅内温度升高，当温度上升到８0o时，K2自动断开，电饭锅的功率降为Ｐ2，锅内温度降低，温度降低到７0o时，K2会自动闭合，这样交替进行，温度只能在７0o－８0o之间变化，不能煮熟饭