5.1認(rèn)識(shí)傳感器5.2常見傳感器的工作原理及應(yīng)用

5.1認(rèn)識(shí)傳感器5.2常見傳感器的工作原理及應(yīng)用基礎(chǔ)導(dǎo)學(xué)要點(diǎn)一、認(rèn)識(shí)傳感器傳感器：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測(cè)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號(hào)輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號(hào)是電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制。工作原理eq\x(非電學(xué)量)→eq\x(\a\al(傳感器,敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路))→eq\x(電學(xué)量)要點(diǎn)二、傳感器的組成與應(yīng)用模式1．敏感元件：是指能直接感受或響應(yīng)外界被測(cè)非電學(xué)量的部分。2．轉(zhuǎn)換元件：是指能將敏感元件輸出的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分。它們分別完成檢測(cè)和轉(zhuǎn)換兩個(gè)基本功能。要點(diǎn)三、光敏電阻1．特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小。2．原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。3．作用：把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。要點(diǎn)四、熱敏電阻和金屬熱電阻1．熱敏電阻熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖甲所示為某一熱敏電阻的電阻隨溫度變化的特性曲線。甲乙2．金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線。3．熱敏電阻與金屬熱電阻的區(qū)別熱敏電阻金屬熱電阻特點(diǎn)電阻隨溫度的變化而變化且非常明顯電阻率隨溫度的升高而增大制作材料半導(dǎo)體金屬導(dǎo)體優(yōu)點(diǎn)靈敏度好化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大作用能夠?qū)囟冗@個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量4.注意：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。要點(diǎn)五、力傳感器的應(yīng)用——電子秤1．組成及敏感元件：由金屬梁和應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片。2．工作原理：3．作用：應(yīng)變片將物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。要點(diǎn)六、霍爾元件1.如圖所示，在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦)薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M、N，就成為一個(gè)霍爾元件．2．霍爾效應(yīng)的原理外部磁場使運(yùn)動(dòng)的載流子受到洛倫茲力，在導(dǎo)體板的一側(cè)聚集，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的另一種電荷，從而形成橫向電場；橫向電場對(duì)電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力，當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板左右兩側(cè)會(huì)形成穩(wěn)定的電壓．3．霍爾電壓UH＝keq\f(IB,d)(1)其中k為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān)．(2)一個(gè)霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比，因此霍爾元件又稱磁敏元件．要點(diǎn)突破突破一：傳感器的工作原理及種類1．傳感器的構(gòu)造傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成．(1)敏感元件的作用：利用各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)等原理制成，感受被測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量成一定關(guān)系的易于測(cè)量的物理量．(2)轉(zhuǎn)換元件的作用：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出．(3)轉(zhuǎn)換電路的作用：將轉(zhuǎn)換元件輸出的微弱電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量．2．傳感器的工作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、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作．傳感器工作原理如下所示：eq\x(非電學(xué)量)→eq\x(敏感元件)→eq\x(轉(zhuǎn)換器件)→eq\x(轉(zhuǎn)換電路)→eq\x(電學(xué)量)3．傳感器是如何分類的？傳感器可按下列三種不同的方法進(jìn)行分類：(1)按被測(cè)量分類：加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、負(fù)荷傳感器、扭矩傳感器；(2)按工作原理分類：電阻應(yīng)變式、壓變式、電容式、渦流式、動(dòng)圈式、磁電式、差動(dòng)變壓器式等；(3)按能量傳遞方式分類：有源傳感器和無源傳感器兩大類．突破二：干簧管和干簧繼電器的特點(diǎn)是什么？普通干簧管內(nèi)有兩個(gè)簧片，是用有彈性的軟磁合金材料制成的，它們密封在玻璃管中，成為一組常開型觸點(diǎn)．管中充入惰性氣體(如氮?dú)?來防止觸點(diǎn)被氧化．小型干簧管價(jià)格約為1元．條形永磁體必須按照?qǐng)D甲所示的方位靠近干簧管，才能使簧片得到最好的磁化，導(dǎo)致兩個(gè)簧片相對(duì)的部分形成相反的磁極而吸合．圖中虛線為磁感線．如圖乙所示，如果將干簧管H放入一個(gè)螺線管L中，兩者就組合成為干簧繼電器．當(dāng)螺線管中通入電流時(shí)，電流產(chǎn)生的磁場就使干簧管中簧片被磁化而吸合．干簧繼電器的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕、靈敏(螺線管匝數(shù)很多時(shí)，通入幾毫安的電流就能使簧片吸合)、簧片能夠快速動(dòng)作、觸點(diǎn)的壽命長．典例精析題型一：熱敏電阻的特征例一．如圖所示，R1為定值電阻，R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻變大，L為小燈泡，當(dāng)溫度降低時(shí)()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)跛悸伏c(diǎn)破：解析：R2與燈L并聯(lián)后與R1串聯(lián)，與電源構(gòu)成閉合電路，當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻R2增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，燈L電壓增大，燈泡亮度變強(qiáng)，R1兩端電壓減小，故C正確，其余各項(xiàng)均錯(cuò)．答案：C【反思總結(jié)】解此類問題時(shí)，R2相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器．要把R2與金屬熱電阻區(qū)別開．變式遷移1：如圖所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與一熱敏電阻Rt的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中間．若往Rt上擦一些酒精，表針將向________(填“左”或“右”)移動(dòng)；若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，表針將向________(填“左”或“右”)移動(dòng)．解析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻Rt溫度降低，電阻值最大，所以電流減小，指針應(yīng)向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，電阻Rt溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏．答案：左右題型二：光敏電阻的特征例二．如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)()A．電壓表的示數(shù)增大B．R2中電流減小C．小燈泡的功率增大 D．電路的路端電壓增大解析：當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大，A正確，D錯(cuò)誤；由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大可知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B正確；結(jié)合干路電流增大可知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大．故正確答案為ABC.答案：ABC【反思總結(jié)】解決含有熱敏電阻、光敏電阻的直流電路動(dòng)態(tài)分析問題時(shí)，一是應(yīng)明確熱敏電阻、光敏電阻的電阻特性；二是根據(jù)閉合電路歐姆定律及串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)來分析電路中某一電阻變化而引起的整個(gè)電路中各部分電學(xué)量的變化情況，即R局eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,減小))→R總eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,減小))→I總eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(減小,增大))→U端eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(增大,減小))→eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(I分的變化,U分的變化))變式遷移2：如右圖所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆分別與光敏電阻RG的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的中央．若用不透光的黑紙將RG包裹起來，表針將向________(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動(dòng)；若用手電筒照射RG，表針將向________(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動(dòng)．解析：歐姆表的表盤刻度最右邊是0，最左邊是無窮大．將RG包裹起來，光照變?nèi)?，光敏電阻阻值增大，指針向左偏轉(zhuǎn)；用手電筒照射RG時(shí)，光照變強(qiáng)，光敏電阻阻值減小，指針向右偏轉(zhuǎn)．答案：左右強(qiáng)化訓(xùn)練選擇題1．現(xiàn)代生活離不開智能，有很多功能需要傳感器來實(shí)現(xiàn)。例如當(dāng)人將靠近耳朵接聽時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉屏幕從而達(dá)到防誤觸的目的，實(shí)現(xiàn)這一功能可能用到的傳感器為（）A．光傳感器和位移傳感器B．磁傳感器和溫度傳感器C．磁傳感器和聲傳感器D．壓力傳感器和加速度傳感器【答案】A【解析】當(dāng)人將靠近耳朵接聽時(shí)，改變了位移，并且耳朵會(huì)擋住光線，所以可能用到的傳感器為光傳感器和位移傳感器。故選A。2．交通警察檢測(cè)駕駛員是否酒后駕駛時(shí)，會(huì)讓駕駛員朝檢測(cè)器吹一口氣。這種檢測(cè)器使用的傳感器是（）A．聲音傳感器 B．電化學(xué)傳感器C．壓力傳感器 D．溫度傳感器【答案】B【解析】檢測(cè)器檢測(cè)駕駛員口中吹出的氣體中是否含有酒精分子，與聲音、壓力、溫度無關(guān)，這種檢測(cè)器使用的傳感器是氣體傳感器，屬于電化學(xué)傳感器故選B。3．磁傳感器是將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的儀器.如圖所示，將探頭放在磁場中，可以很方便的測(cè)量磁場的強(qiáng)弱和方向.探頭可能是（）A．感應(yīng)線圈 B．熱敏電阻 C．霍爾元件 D．干簧管【答案】C【解析】將探頭放在磁場中，可以很方便的測(cè)量磁場的強(qiáng)弱和方向，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，所以探頭可能是霍爾元件。故選C.4、傳感器是一種采集信息的重要器件。如圖所示是一種測(cè)定壓力的電容式傳感器。當(dāng)待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極時(shí)，可使膜片產(chǎn)生形變，引起電容的變化，將電容器、靈敏電流計(jì)和電源串聯(lián)成閉合電路，那么（）①當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將減?、诋?dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將增大③若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化④若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化。A．①③ B．①④ C．②③ D．②④【答案】C【解析】①②當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，板間距離減小，由電容的決定式可知電容器的電容將增大，故①錯(cuò)誤、②正確；③④當(dāng)F變化時(shí)，電容變化，而板間電壓不變，由Q=CU故電容器所帶電荷量Q發(fā)生變化，電容器將發(fā)生充、放電現(xiàn)象，回路中有電流，電流計(jì)有示數(shù)；反之，電流計(jì)有示數(shù)時(shí)，壓力F必發(fā)生變化，故③正確，④錯(cuò)誤。故選C。5、傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同，空調(diào)機(jī)在室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)定后，會(huì)自動(dòng)停止工作，其中空調(diào)機(jī)內(nèi)使用了下列哪種傳感器（）A．生物傳感器 B．紅外傳感器C．溫度傳感器 D．光傳感器【答案】C【解析】空調(diào)機(jī)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，所以內(nèi)部使用了溫度傳感器，C正確，ABD錯(cuò)誤。故選C。6、為了更加安全、快捷地測(cè)量體溫，醫(yī)療機(jī)構(gòu)大量采用了非接觸式體溫計(jì)，這種體溫計(jì)采用了（）A．壓力傳感器 B．聲音傳感器C．紅外傳感器 D．生物傳感器【答案】C【解析】一切物體都會(huì)向外輻射紅外線，溫度越高，輻射的紅外線越多，紅外線溫度計(jì)是通過接收身體表面輻射出來的紅外線來測(cè)溫的，屬于紅外傳感器，故C正確，ABD錯(cuò)誤。故選C。7、如圖所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖，罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板。平時(shí)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，下列說法正確的是（）A．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào)B．光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào)C．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào)D．以上說法均不正確【答案】C【解析】發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對(duì)光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小，與傳感器連接的電路檢測(cè)出這種變化，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。故選C。8、隨著生活水平的提高，電子秤已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的一部分，電子秤的種類也有很多，如圖所示是用平行板電容器制成的廚房用電子秤及其電路簡圖。稱重時(shí)，把物體放到電子秤面板上，壓力作用會(huì)導(dǎo)致平行板上層膜片電極下移。則（）A．電容器儲(chǔ)存的電能減少B．電容器的電容減小，帶電荷量減小C．膜片下移過程中，電流表有a到b的電流D．電子秤是一個(gè)壓力傳感器，穩(wěn)定后電容器兩板間電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)【答案】D【解析】AB．根據(jù)電容器表達(dá)式當(dāng)兩個(gè)極板的距離減小時(shí)，電容器的電容增大；再根據(jù)電容器定義式由于電容器一直和電源相連，電壓不變，當(dāng)電容增大時(shí)，帶電荷量增大，則電容器儲(chǔ)存的電能增加；所以AB錯(cuò)誤；C膜片下移過程中，電容器充電，則電流表有b到a的電流，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；D．電子秤是一個(gè)壓力傳感器，當(dāng)壓力穩(wěn)定后，電容器停止充電，電路中的電流為零，即電流表示數(shù)為零，兩極板的電勢(shì)差不變，等于電源的電動(dòng)勢(shì)，所以D正確。故選D。9、如圖所示，水平的傳送帶上放一物體，物體下表面及傳送帶上表面均粗糙，導(dǎo)電性能良好的彈簧的右端與物體及滑動(dòng)變阻器滑片相連，彈簧左端固定在墻壁上，不計(jì)滑片與滑動(dòng)變阻器線圈間摩擦。當(dāng)傳送帶如箭頭方向運(yùn)動(dòng)且速度為v時(shí)，物體與傳送帶發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，當(dāng)傳送帶逐漸加速到時(shí)，物體受到的摩擦力和燈泡的亮度將（）A．摩擦力不變，燈泡的亮度變亮B．摩擦力不變，燈泡的亮度不變C．摩擦力變大，燈泡的亮度變亮D．摩擦力變小，燈泡的亮度變暗【答案】B【解析】因摩擦力大小只與壓力大小及接觸面的粗糙程度有關(guān)與物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，故物體所受摩擦力不變；由于傳送帶運(yùn)動(dòng)且速度為v時(shí)，物體與傳送帶發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，故物體受到的摩擦力和彈簧彈力是一對(duì)平衡力；當(dāng)傳送帶逐漸加速到2v時(shí)，因物體所受摩擦力不變，則物體仍處于平衡狀態(tài)，故物體的位置將不發(fā)生變化，與滑動(dòng)變阻器保持相對(duì)靜止，滑動(dòng)變阻器接入電阻不變，則由歐姆定律可得電路中電流不變，燈泡的亮度不變．故選B。10、下面哪一項(xiàng)不是現(xiàn)代傳感器的應(yīng)用