2017-2018學(xué)年高中物理 第三章 傳感器 1 傳感器學(xué)案 教科版選修3-2

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1、 1 傳感器 [目標(biāo)定位]　1.知道什么是傳感器及其工作原理.2.掌握制作傳感器的常用元件的特性及其應(yīng)用. 一、傳感器 1.定義 把被測(cè)的非電信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信息的器件或裝置. 2.結(jié)構(gòu) 非電信息, (1)敏感元件：能直接感受非電信息，如壓力、光照、溫度、磁場(chǎng)、氣體等，并將這些信息變換成易于測(cè)量的物理量，形成電信號(hào). (2)處理電路：把微小電信號(hào)進(jìn)行放大，并除去干擾信號(hào)，使敏感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于顯示、記錄、處理和控制的電學(xué)量(如電壓、電流和頻率等)，這類電路稱為處理電路. 3.傳感器的原理 傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度

2、、速度、酸堿度等，而它輸出的大多是電學(xué)量，如電壓、電流、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，一般要經(jīng)過(guò)放大等處理后，再通過(guò)控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作. 4.在分析傳感器時(shí)要明確 (1)核心元件是什么； (2)是怎樣將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的； (3)是如何顯示的或如何控制開(kāi)關(guān)的. 深度思考 傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)與自動(dòng)控制中有什么作用？ 答案　傳感器的作用是把非電學(xué)量(如光、聲音、溫度等)轉(zhuǎn)化為電學(xué)量(如電壓、電流等)，尤其是將電學(xué)量與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，可以方便地實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理、輸出的自動(dòng)化和智能化，所以傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)與自動(dòng)控制中有極其重要的作用. 例1　如圖1所示是電

3、容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對(duì)著話筒說(shuō)話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容器兩板間的(　　) 圖1 A．距離變化 B．正對(duì)面積變化 C．介質(zhì)變化 D．電壓變化 解析　在聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)過(guò)程中介電常數(shù)沒(méi)變，正對(duì)面積未變．振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使振動(dòng)膜上的金屬層與金屬板間的距離發(fā)生變化，從而將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，故A選項(xiàng)正確． 答案　A 例2　傳感器是把非電

4、學(xué)量(如速度、溫度、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的變化的一種元件，在自動(dòng)控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用.有一種測(cè)量人的體重的電子秤，其測(cè)量部分的原理圖如圖2中的虛線框所示，它主要由壓力傳感器R(電阻值會(huì)隨所受壓力大小發(fā)生變化的可變電阻)、顯示體重大小的儀表A(實(shí)質(zhì)是理想的電流表)組成. 圖2 壓力傳感器表面能承受的最大壓強(qiáng)為1×107Pa，且已知壓力傳感器R的電阻與所受壓力的關(guān)系如下表所示.設(shè)踏板和壓桿的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.8V，取g＝10m/s2.請(qǐng)回答： 壓力F/N 0 250 500 750 1000 1250 1500 … 電阻

5、R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 … (1)該秤零起點(diǎn)(即踏板空載時(shí))的刻度線應(yīng)標(biāo)在電流表刻度盤________A處. (2)如果某人站在該秤踏板上，電流表刻度盤的示數(shù)為20mA，則這個(gè)人的體重是________kg. 解析　(1)由題圖表知，踏板空載時(shí)，壓力傳感器電阻R＝300Ω，此時(shí)A中電流I＝＝A＝1.6×10－2A. (2)當(dāng)電流I＝20mA＝20×10－3A時(shí)，壓力傳感器的電阻R＝＝Ω＝240Ω，對(duì)應(yīng)表格中，這個(gè)人的體重為50kg. 答案　(1)1.6×10－2　(2)50 傳感器問(wèn)題的分析思路 不同類型的傳感器，其工作

6、原理一般不同，但所有的傳感器都是把非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化.因此，我們可以根據(jù)電學(xué)量的變化來(lái)推測(cè)相關(guān)量的變化. 二、敏感元件的原理 1.原理 利用物理學(xué)中能直接感受到的非電信息轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量，形成電信號(hào). 2.敏感元件分類： (1)物理類：基于力、熱、光、電磁和聲等物理效應(yīng). (2)化學(xué)類：基于化學(xué)反應(yīng)的原理. (3)生物類：基于酶、抗體和激素等分子識(shí)別功能. 3.半導(dǎo)體熱敏電阻的熱敏特性： 熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大，根據(jù)它具有電阻隨溫度靈敏變化的特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量. 4.干簧管是一種能感知磁場(chǎng)的敏感元件.當(dāng)磁

7、力大于簧片的彈力時(shí)，兩者緊密地接觸；當(dāng)磁力小于簧片的彈力時(shí)，兩者分開(kāi).因此，干簧管串聯(lián)在電路中就成為一個(gè)由磁場(chǎng)控制的開(kāi)關(guān). 例3　在信息技術(shù)高速發(fā)展、電子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，擔(dān)負(fù)著信息采集任務(wù)的傳感器在自動(dòng)控制、信息處理技術(shù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其中熱電傳感器是利用熱敏電阻將熱信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件.某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)在用多用電表研究熱敏特性實(shí)驗(yàn)中，安裝好如圖3所示裝置.向杯內(nèi)加入冷水，溫度計(jì)的示數(shù)為20℃，多用電表選擇適當(dāng)?shù)谋堵?，讀出熱敏電阻的阻值R1.然后向杯內(nèi)加入熱水，溫度計(jì)的示數(shù)為60℃，發(fā)現(xiàn)多用電表的指針偏轉(zhuǎn)角度較大，則下列說(shuō)法正確的是(　　) 圖3 A.應(yīng)選用電流

8、擋，溫度升高換用大量程測(cè)量 B.應(yīng)選用電流擋，溫度升高換用小量程測(cè)量 C.應(yīng)選用歐姆擋，溫度升高時(shí)換用倍率大的擋 D.應(yīng)選用歐姆擋，溫度升高時(shí)換用倍率小的擋 解析　多用電表與熱敏電阻構(gòu)成的回路中未接入電源，故不能用電流表，A、B均錯(cuò)；當(dāng)溫度升高時(shí)，多用電表指針偏轉(zhuǎn)角度較大，說(shuō)明熱敏電阻的阻值變小了，應(yīng)該換用倍率小的擋，C錯(cuò)誤，D正確. 答案　D 例4　關(guān)于干簧管，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A.干簧管接入電路中相當(dāng)于電阻的作用 B.干簧管是根據(jù)熱脹冷縮的原理制成的 C.干簧管接入電路中相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的作用 D.干簧管能夠感知磁場(chǎng) 解析　干簧管是感知磁場(chǎng)的元件，接入電路中相當(dāng)于

9、開(kāi)關(guān)的作用，選C、D. 答案　CD 1.(對(duì)傳感器的理解)關(guān)于傳感器，下列說(shuō)法正確的是(　　) A.金屬材料不可以制成傳感器 B.話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) C.傳感器都是通過(guò)感知電壓的變化來(lái)傳遞信號(hào)的 D.所有傳感器的材料都是由半導(dǎo)體材料做成的 答案　B 解析　金屬材料也可以制成傳感器，所以A錯(cuò)誤；動(dòng)圈式話筒是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，變化的電流通過(guò)線圈，產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，其作用是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所以B正確；傳感器一定是通過(guò)非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來(lái)傳遞信號(hào)的，所以C錯(cuò)誤；傳感器材料分半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)材料，所以D錯(cuò)誤.故選B

10、. 2.(熱敏電阻的應(yīng)用)如圖4所示，由電源、小燈泡、電阻絲、開(kāi)關(guān)組成的電路中，當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)S后，小燈泡正常發(fā)光，若用酒精燈加熱電阻絲時(shí)，發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度變化是變暗，發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是(　　) 圖4 A.小燈泡的電阻發(fā)生了變化 B.小燈泡燈絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化 C.電阻絲的電阻率隨溫度發(fā)生了變化 D.電源的電壓隨溫度發(fā)生了變化 答案　C 解析　電阻絲的電阻率隨溫度的升高而增大，電阻也增大，電路中電流減小，根據(jù)P＝I2R知，小燈泡的實(shí)際功率減小，所以變暗. 3.(熱敏電阻的應(yīng)用)(多選)圖5是測(cè)試熱敏電阻R的實(shí)驗(yàn)電路圖，滑動(dòng)變阻器已調(diào)節(jié)到某一適當(dāng)?shù)闹?實(shí)驗(yàn)中觀察到當(dāng)

11、溫度升高時(shí)燈更亮.對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析正確的有(　　) 圖5 A.溫度升高，電路中的電流減小 B.溫度升高，電路中的電流增大 C.溫度升高，熱敏電阻的阻值增大 D.溫度升高，熱敏電阻的阻值減小 答案　BD 解析　當(dāng)溫度升高時(shí)，電路中的熱敏電阻的阻值減小，由閉合電路歐姆定律可知：電路中的電流增大，導(dǎo)致燈泡變亮. 4.(對(duì)傳感器的理解)如圖6所示是變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖.它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起.根據(jù)變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖分析其工作原理. 圖6 答案　見(jiàn)解析 解析　當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力F的作用下產(chǎn)生與壓力F大小成正

12、比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使鐵芯和銜鐵之間的距離發(fā)生變化，流過(guò)線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值反映了被測(cè)壓力的大小. 題組一　傳感器的概念 1.(多選)下列說(shuō)法正確的是(　　) A.傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù) B.干簧管是一種磁傳感器 C.傳感器不是電視遙控器的主要元件 D.傳感器是力、溫度、光、聲、化學(xué)成分轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的主要工具 答案　ABD 解析　傳感器相當(dāng)于人的器官，給機(jī)器提供一些信息，A正確；根據(jù)定義知B、D正確；遙控器的主要元件是傳感器，C錯(cuò)誤. 題組二　傳感器對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)化 2.用遙控器調(diào)換電視機(jī)頻道的過(guò)程，實(shí)際上就是傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)化

13、為電信號(hào)的過(guò)程.下列屬于這類傳感器的是(　　) A.紅外報(bào)警裝置 B.走廊照明燈的聲控開(kāi)關(guān) C.自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置 D.電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器 答案　A 解析　遙控器是利用紅外線傳輸信號(hào)的，故A項(xiàng)正確. 3.傳感器是把非電學(xué)量(如位移、壓力、流量、聲強(qiáng)等)轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的一種元件.如圖1所示為一種電容式傳感器，電路可將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào).電路中a、b構(gòu)成一個(gè)電容器，b是固定不動(dòng)的金屬板，a是能在聲波驅(qū)動(dòng)下沿水平方向振動(dòng)的鍍有金屬層的振動(dòng)膜.若聲源S發(fā)出頻率恒定的聲波使a振動(dòng)，則a在振動(dòng)過(guò)程中(　　) 圖1 A.a、b板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度不變 B.a、b板所帶

14、的電荷量不變 C.電路中始終有方向不變的電流 D.向右位移最大時(shí)，電容器的電容最大 答案　D 解析　a、b始終跟電源相連，電勢(shì)差U不變，由于a、b間距離變化，由E＝知場(chǎng)強(qiáng)變化，A錯(cuò)誤；由C＝知d變化時(shí)C變化，a向右位移最大時(shí)，電容最大，D正確；由Q＝CU知a、b所帶電荷量變化，電路中電流方向改變，B、C錯(cuò)誤. 4．有一些星級(jí)賓館的洗手間裝有自動(dòng)干手機(jī)，洗手后將濕手靠近，機(jī)內(nèi)的傳感器就開(kāi)通電熱器加熱，有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出，將濕手烘干，手靠近自動(dòng)干手機(jī)能使傳感器工作，是因?yàn)?　　) A．改變濕度 B．改變溫度 C．改變磁場(chǎng) D．改變電容 答案　D 解析　根據(jù)自動(dòng)干手機(jī)工作的特征

15、，手靠近自動(dòng)干手機(jī)，電熱器工作，手撤離后電熱器停止工作，人是一種導(dǎo)體，可以與其他導(dǎo)體構(gòu)成電容器．手靠近時(shí)相當(dāng)于連接一個(gè)電容器，可以確定干手機(jī)內(nèi)設(shè)有電容式傳感器，由于手的靠近改變了電容大小，故D正確；用濕度和溫度來(lái)驅(qū)動(dòng)電熱器工作，理論上可行，但是假如干手機(jī)是由于溫度、濕度的變化而工作就成了室內(nèi)烘干機(jī)． 5．如圖2是一種測(cè)定油箱油量多少或變化多少的裝置．其中電源電壓保持不變，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是金屬桿的一端．在裝置中使用了一只電壓表(圖中沒(méi)有畫(huà)出)，通過(guò)觀察電壓表示數(shù)，可以了解油量情況，你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的________兩點(diǎn)之間，按照你的接法請(qǐng)回答：當(dāng)油箱中油量減少時(shí)，電壓表的

16、示數(shù)將________(填“增大”或“減小”) 圖2 答案　c、d　減小 解析　把電壓表接到c、d之間，油量增加時(shí)，R減小，電路中電流增大，則R′兩端的電壓增大，電壓表示數(shù)增大，同理，油量減少時(shí)，電壓表示數(shù)減?。? 題組三　敏感元件的原理 6.如圖3所示，R1為定值電阻，R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)(　　) 圖3 A.R1兩端的電壓增大 B.電流表的示數(shù)增大 C.小燈泡的亮度變強(qiáng) D.小燈泡的亮度變?nèi)? 答案　C 解析　當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻R2增大，外電路電阻增大，電流表示數(shù)減小，R1兩端電壓減小，燈L兩端電壓增大，燈泡亮度變強(qiáng)，故C正確，其余

17、各項(xiàng)均錯(cuò). 7.(多選)如圖4所示是家用電冰箱的壓縮啟動(dòng)裝置的電路圖.其中的運(yùn)行繞組是電冰箱在工作時(shí)電動(dòng)機(jī)的定子，由于交流是單相的，啟動(dòng)時(shí)必須依靠啟動(dòng)繞組的幫助才能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在啟動(dòng)繞組的支路中串聯(lián)有一個(gè)PTC元件，這是一種以酞酸鋇為主要材料的熱敏電阻器，電流流過(guò)PTC元件，元件發(fā)熱，它的電阻率隨溫度升高而發(fā)生顯著變化，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)以后，PTC元件溫度較高，電阻很大，啟動(dòng)繞組電流很小.以下判斷正確的是(　　) 圖4 A.電冰箱的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)比正常工作時(shí)耗電少 B.電冰箱的電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)比啟動(dòng)時(shí)耗電少 C.電冰箱啟動(dòng)后，啟動(dòng)繞組功率不變，運(yùn)行繞組功率是變化的 D.電冰箱啟

18、動(dòng)后，啟動(dòng)繞組功率是變化的，運(yùn)行繞組功率不變 答案　BD 解析　啟動(dòng)時(shí)，由于PTC元件溫度低，電阻小，故耗電多，B正確；啟動(dòng)后，隨PTC元件溫度升高，PTC元件電阻增大，通過(guò)啟動(dòng)繞組的電流減小，故啟動(dòng)繞組功率是變化的，而運(yùn)行繞組電壓不變，故功率不變，則D正確. 8.(多選)如圖5所示電路，R1為定值電阻，R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小)，C為電容器.當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)(　　) 圖5 A.電容器C的帶電荷量增大 B.電壓表的讀數(shù)增大 C.電容器C兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度減小 D.R1消耗的功率增大 答案　AB 解析　當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，R2變大，電路的總電阻變大，由I＝知I變小，又U＝E－Ir，電壓表的讀數(shù)U增大，B正確；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1變小，R1消耗的功率P1變小，D錯(cuò)誤；電容器兩極板間的電壓U2＝U－U1，U2變大，由場(chǎng)強(qiáng)E′＝，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正確，C錯(cuò)誤. 9.如圖6所示連接電路.把磁鐵靠近或遠(yuǎn)離干簧管，觀察電路中所發(fā)生的現(xiàn)象.你認(rèn)為干簧管起了什么作用？ 圖6 答案　把磁鐵靠近干簧管時(shí)，簧片在磁場(chǎng)的作用下會(huì)磁化為異名磁極相對(duì)的磁鐵.當(dāng)磁力大于簧片的彈力時(shí)，兩者緊密地接觸，電路連通，燈亮.因此，干簧管串聯(lián)在電路中就成為一個(gè)由磁場(chǎng)控制的開(kāi)關(guān). 9