3选修32第三章《传感器》.docx
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3选修32第三章《传感器》
第三章传感器
第1节传感器
【学习目标】
1．知道什么是传感器，知道传感器的基本结构和分类，初步感受和体验传感器在生活中的重要应用。
2．知道敏感元件的基本特性和工作原理，知道非电学量转换成电学量的技术意义。
3．通过实验探究半导体热敏电阻的热敏特性，感受敏感元件的原理和作用。
【阅读指导】
1．传感器通常是把被测的__________，按一定规律转换成与之对应的________的器件或装置。
想一想，你在生活中还见过哪些传感器。
2．传感器一般由______________和_____________组成。
3．常见的敏感元件如___________、___________、___________、___________、___________等，它们能直接感受__________，如温度、位移等，并将这些信息变换成易于测量的物理量，形成__________。
4．处理电路的主要作用是把微小的信号___________，并除去____________，使敏感元件输出的_________转变为便于显示、记录、处理和控制的__________。
5．敏感元件品种繁多，就其感知外界信息的原理而言，可分为如下几类。
（1）物理类：
基于____、____、____、______和____等物理效应；
（2）化学类：
基于____________的原理；（3）生物类：
基于____、________和________等分子识别功能。
6．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。
它是________传感器的一个重要组成部分。
7．干簧管是一种能感知________的敏感元件，它由密封在玻璃管内的两个__________构成。
干簧管串联在电路中就成为一个由________控制的________。
【课堂练习】
★夯实基础
1．下列属于传感器原理的是（）
A．光信号转换成电流B．声信号转换成电流
C．力转换成电压D．动能转换成势能
2．有一热敏电阻的电阻值随温度变化的R-t图像如图所示。
现将该热敏电阻接在多用电表的两表笔上（多用电表调至欧姆挡），做成一个电子温度计，为了便于读数，再把多用表上的电阻值转换成温度值。
现想使该温度计对温度的变化反应较为灵敏，那么该温度计测量哪段范围内的温度较为适宜（设在温度范围内，多用表的倍率不变）（）
A．t1~t2段B．t2~t3段
C．t3~t4段D．t1~t4段
3．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。
下列属于这类传感器的是（）
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
★提升能力
1．1999年7月12日，日本原子能电力公司所属敦贺湾核电站由于水管破裂导致高辐射冷却剂外泄，在检测此重大事故中应用了非电量变化（冷却剂外泄使管中液面变化）转换为电信号的自动化测量技术。
如图所示是一种测定导电液体深度的装置，包着一层电介质的金属芯线与导电液体形成一个电容器，电容量的变化能反映液面的升降情况，则下列叙述中正确的是（）
A．电容增大反映h增大
B．电容增大反映h减少
C．将金属芯线和导电液体分别接电源两极再断开后，液体深度变化时导电液与金属芯线间的电压增大反映h减小
D．将金属芯线和导电液体分别接电源两极再断开后，液体深度变化时导电液与金属棒间的电压增大反映h增大
2．传感器是一种采集信息的重要器件。
下图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化。
将电容器、灵敏电流表和电源串接成闭合电路，那么（）
A．若电容减小，则力F增大
B．若电容增大，则力F减小
C．若电容增大，则力F增大
D．以上说法都不对
3．下图为两种电容式传感器的示意图，试分别说明它们的原理。
第2节温度传感器和光电式传感器
【学习目标】
1．了解温度传感器的基本结构、基本特性和工作原理。
2．了解光电式传感器的基本结构、基本特性和工作原理。
3．初步感受和体验温度传感器和光电式传感器在生活中的重要应用，启发学生认识非电学量转换成电学量的技术意义。
4．通过学习和分析，让学生了解应用传感器对一些常见物理量进行测量的方法。
【阅读指导】
1．温度传感器中使用感温的敏感元件品种很多，例如__________、_____________、________和___________等。
2．将两种膨胀系数__________的不同金属片焊接或轧制成为一体后，温度________时，由于两面金属膨胀程度不同，双金属片就会________，因此热双金属片可作为温度的敏感元件。
利用热金属片对温度的感知表现为形变的特性，可以用它来控制电路的________，所以也常常用在温度控制装置中。
3．用金属线制作的感温电阻叫__________。
金属的电阻R与温度t的关系是
，其中，θ为___________，R0是__________________。
4．半导体热敏电阻是一种新型元件，它分两类,一类是阻值随温度的升高而电阻________的热敏电阻，用NTC符号表示；另一类是阻值随温度的升高而电阻______的热敏电阻，用PTC符号表示。
5．光传感器是测量_________的传感器。
有些金属或半导体材料，在电路中受到光照时，可以产生电流或电压，实现________向________转化。
【课堂练习】
★夯实基础
1．利用半导体材料可制成哪些电子元件（）
A．热敏电阻B．光敏电阻C．二极管D．标准电阻
2．下列说法正确的是（）
A．金属导体的电阻率一定随温度增加而减小
B．半导体的电阻率一定随温度增加而增大
C．用半导体制成的热敏电阻，可以作为测温元件
D．用半导体制成的光敏电阻，可以起到开关的作用
3．金属铂的电阻值对温度高低非常敏感，图中可能表示金属铂电阻的U－I图线是（）
4．如图所示，R1为定值电阻，R2为随温度升高而电阻减小的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（）
A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大
C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱
5．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，用墨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．若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．若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．若用墨纸包住元件与不用墨纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D．若用墨纸包住元件与不用墨纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
6．如图所示是电阻式温度计，一般是利用金属铂做的。
已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道其温度。
这实际上是一个传感器，它是将________转化为________来进行测量的。
7．如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与NTC热敏电阻Rt的两端相连，这时指针恰好指在刻度盘的正中间。
若往Rt上擦一些酒精，指针将向_____（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向Rt，则指针将向_____（填“左”或“右”）移动。
若Rt为PTC热敏电阻，情况如何？
★提升能力
1．如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上物品，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（）
A．当有光照射R1时，R1两端电压升高
B．当有光照射R1时，R1两端电压降低
C．R1两端电压每升高一次就记数一次
D．R1两端电压每降低一次就记数一次
2．日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？
3．用以下器材：
热敏电阻、电铃、电源、继电器、滑动变阻器、开关和导线若干制作一个高温自动报警器，如图所示，试说出它的工作原理。
第3节生活中的传感器
【学习目标】
了解日常生活中常见的传感器及其基本特征和基本工作原理，进一步感受传感器在生活中的重要应用。
【阅读指导】
1．传感器在家用电器中的使用很普遍，其中使用最多的是________传感器。
2．洗衣机中的传感器有以下几类：
（1）______________：
用来确定水位高低和衣服吸水能力的大小；
（2）______________：
用来检测洗涤物的多少；
（3）______________：
根据环境温度和水温，自动控制洗涤时间；
（4）______________：
通过自动感知衣服重量和吸水程度，感知衣物的质量，自动选择洗涤方式；
（5）______________：
测定洗涤粉的种类。
（6）______________：
检测洗净度、漂净度。
（7）______________：
控制脱水动作。
3．电冰箱主要由制冷系统和控制系统两大部分组成，其中控制系统是用来保证电冰箱在各种使用条件下能够安全可靠地运行。
控制系统主要包括：
___________________、___________________、过热及过电流保护等，在控制系统中，传感器起着非常重要的作用。
4．请你找一找，在你的身边都有哪些传感器？
【课堂练习】
★夯实基础
1．下列说法正确的是（）
A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号
B．楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮，说明它的控制电路中只有声传感器
C．非触摸式自动水龙头利用了光传感器
D．电子秤所使用的测力装置是温度传感器
2．如图是一火警报警装置的一部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器。
它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比（）
A．I变大，U变大B．I变小，U变小
C．I变小，U变大D．I变大，U变小
3．如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的（）
A．距离变化B．正对面积变化
C．介质变化D．电压变化
★提升能力
1．某实验小组的同学在电梯的天花板上固定一弹簧测力计，使其测量挂钩向下，并在钩上悬挂一个重为10N的钩码。
弹簧测力计弹力随时间变化的规律可通过一传感器直接得出，如图所示。
则下列分析正确的是（）
A．从t1到t2时刻，钩码处于超重状态
B．从t3到t4时刻，钩码处于失重状态
C．电梯可能先加速向下，接着匀速向下，再减速向下，最后静止
D．电梯可能先加速向上，接着匀速向上，再减速向上，最后静止
2．压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图（a）所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。
小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图（b）所示，下列判断正确的是（）
A．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
3．传感器是采集信息的一种重要元件，如图所示是一种电容式压力传感器，左边下面为可动电极，它的两端固定，当待测压力作用于可动电极时，使它发生形变，从而改变传感器的电容，若流经灵敏电流表的电流方向向左时，指针向右偏，则待测压力突然增大时（）
A．电容器的电容增大
B．电容器的电容减少
C．灵敏电流表指针向左偏
D．灵敏电流表指针向右偏
第4节简单的光控和温控电路（选学）
【学习目标】
1．了解集成电路、集成电路实验板的基本结构、基本特征和工作原理。
2．了解简单的光控和温控电路的基本结构、基本特征和工作原理。
【阅读指导】
1．集成电路又称_____，是在________上集合各种__________，实现某种特定功能的电路模块，它是电子设备中最重要的部分。
2．教材P73图3-4-4为光控自动照明电路的原理图。
观察电路图，指出它用到了哪些元件？
3．使用电熨斗时，必须控制电加热过程，以免过热损坏衣物。
这就要求，电熨斗的温度________（填“低于”或“高于”）指定值时电加热器供电加热，温度________（填“低于”或“高于”）指定值时要将电源________。
【课堂练习】
★提升能力
1．在如图的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与D间距不变，下列说法正确的是（）
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减少
C．当滑动触头P向右移时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变
2．某同学利用光电管、电磁继电器、直流电源、开关、照明电路、路灯及导线设计了一个用于街道的路灯自动控制开关，达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果，试说明他的设计原理。
3．如图是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。
S2是一个自动控控温开关，当温度低于70℃时，会自动闭合；温度高于80℃时会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻R1＝R2＝500Ω，加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。
（1）分析电饭煲的工作原理；
（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；
（3）简要回答：
如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？
★提升能力
现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和若干导线。
如图所示，试设计一个控温电路。
要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热；超过某一温度时，又自动断电。
画出电路图并说明其工作原理。
第三章《传感器》测试题
一、选择题
1．
如图所示是一种热敏电阻（PTC元件）的电阻R随温度t变化的关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能。
常见的电热灭蚊器中就使用这种元件来加热并控制温度。
如果将该元件接到220V恒定电压下，则（）
A．通电后，其电功率先增大后减小
B．通电后，其电功率先减小后增大
C．当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1不变
D．当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1到t2之间的某一值不变
2．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。
下列属于这类传感器的是（）
A．红外报警装置B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
3．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。
其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。
下列说法正确的是（）
A．该传感器是根据电流的磁效应工作的
B．该传感器是根据电磁感应原理工作的
C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
4．
电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示，Q是绝缘支架，M是薄金属膜和固定电极N形成的一个电容器，被直流电源充电，声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，当膜片向右运动的过程中有（）
A．电容变大
B．电容变小
C．导线AB中有向左的电流
D．导线AB中有向右的电流
5．压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小，某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置，将压敏电阻平放在电梯内，受压面朝上，在上面放一物体m，电梯静止时电流表示数为I0，电梯在不同的运动过程中，电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示，下列判断中正确的是（）
A．甲图表示电梯可能做匀速直线运动
B．乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C．丙图表示电梯可能做匀加速上升运动
D．丁图表示电梯可能做变减速下降运动
6．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的随温度变化而变化的特性工作的。
在图甲中，电源的电动势E=9.0V，内电阻可忽略不计；
为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻值与温度变化关系如图乙的R-t图线所示。
闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1=2mA，则当电流表的示数I2=3.6mA时，热敏电阻R的温度是（）
A．60℃B．80℃C．100℃D．120℃
二、填空题
7．将金属热敏电阻、数字电流表、电源按图连接成电路。
将烧杯装入2/3的水，并用铁架台固定在加热器上。
闭合开关S，当热敏电阻未放入热水中时，电流表示数为I1；将热敏电阻放入温水中，电流表示数为I2；将热敏电阻放入热水中，电流表示数为I3．则I1、I2、I3的大小关系为___________。
8．如图所示，图1为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I－U关系曲线图。
（1）为了通过测量得到图1所示I—U关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是______；简要说明理由：
_______________________________________。
（电源电动势为9V，内阻不计，滑线动阻器的阻值为0－100Ω）。
（2）若将该热敏电阻接到如图4所示的电路中，已知电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω。
由图1可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为________Ω。
三、简答和计算题
9．如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。
该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。
用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。
现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后。
汽车静止时，传感器a、b在的示数均为10N（取g=10m／s2）。
（1）若传感器a的示数为14N、b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向。
（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零。
10．加速度计是测定物体加速度的仪器，现代科技中，它已成为导弹、飞机、潜艇制导系统的信息源，如图所示为应变式加速度计，当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件由两根相同的弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件下端滑动臂可在滑动变阻器上无摩擦水平滑动，当系统加速时敏感元件发生位移，并转换成电信号输出。
已知敏感元件的质量为m，每根弹簧的劲度系数为k，电源的电动势为E，内阻不计，滑动变阻器的总阻值为R，且总电阻有效长度为L。
系统处于平衡态时，两弹簧恰好为原长，滑动变阻器的滑动触头位于正中间，并且此时加速度计的输出电压为零。
（1）假定待测系统的加速度大小为a，方向向左，求敏感元件发生的位移？
（2）用输出信号的电压U来表示待测系统加速度a的表达式。
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