人教版高考物理专题知识讲解 传感器及其应用.docx

人教版高考物理专题知识讲解 传感器及其应用.docx

《人教版高考物理专题知识讲解 传感器及其应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人教版高考物理专题知识讲解 传感器及其应用.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

人教版高考物理专题知识讲解传感器及其应用

物理总复习：

传感器及其应用

【考纲要求】

1、知道常用的几种传感器

2、理解常用的几种传感器的基本工作原理

3、知道求解传感器问题的思路

4、知道传感器的一般应用模式

5、知道简单的逻辑电路

【知识网络】

【考点梳理】

考点一、传感器

要点诠释：

1、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、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断，把非电学量转换成电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

2、制作传感器的敏感元件

（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，导电性变好。

光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

（2）热敏电阻和金属热电阻

　　①热敏电阻：

指用半导体材料制成，其阻值随温度变化发生明显变化的电阻。

如图为某热敏电阻的阻值——温度特性曲线。

　　②金属热电阻：

有些金属的电阻率随温度的升高而增加，这样的电阻也可以制作温度传感器。

　　热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换成电学量（电阻），但热敏电阻的灵敏度较好。

　　热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，对正温度系数的热敏电阻（PTC）其阻值随温度的升高而增大，而负温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而减小。

　　（3）电容式位移传感器

　　能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。

　　（4）霍尔元件

　　把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量，产生的电压称为霍尔电压，式中的d为薄片的厚度，k为霍尔系数，与薄片的材料有关。

3、关于传感器的分类

序号

分类方法

传感器的种类

说明

1

按输入量分类

位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等

传感器以被测物理量命名

2

按工作原理分类

应变式、电容式、电感式、热电式、电压式

传感器以工作原理命名

3

按物理现象分类

结构型传感器

传感器依赖其结构参数的变化实现信息转换

特性型传感器

传感器依赖其敏感元件物理特征的变化实现信息转换

4

按能量关系分类

能量转换型传感器

传感器直接将被测量的能量转换为输出的能量

能量控制型传感器

由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量

5

按输出信号分类

模拟式传感器

输出为模拟量

数字式传感器

输出为数字量

4、如何求解传感器问题

　　传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强、能力要求高等特点，而传感器的形式又多种多样，有的原理甚至较难理解。

但不管怎样，搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键。

因此，求解时必须结合题目提供的所有信息，认真分析传感器所在的电路结构，这样才能对题目的要求作出解释或回答。

另外，平时多应注意实际生产、生活中的一些实例，多一些思考，多动一下手，多查一下资料，开阔自己的视野，丰富自己的经验，做到学以致用、活学活用的目的。

5、传感器的一般应用模式

　　传感器是将所感受到的物理量（如力、热、光等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。

其工作过程是：

通过对某一物理量敏感的元件，将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量，一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如图所示。

　　例如，许多食品加工设备（如电烤箱）都要控制在一定的温度范围内工作，可使食品味道鲜美且不失养分，如图所示的控制电路，开始工作时，温度较低，阻值较小，继电器吸合，A与C接通，电热丝L通电加热，达到一定温度时，电阻增大，继电器放开，A与B接通，灯亮铃响，停止加热，温度降低到某一值时，继电器又吸合，A与C接通，又开始加热……如此反复，维持在一定的温度范围（～）内。

　　空调、电冰箱就是利用这一原理维持在一定温度范围内的。

　　再例如，如图所示是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是光电传感器——光敏电阻。

　　当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的信号时，光敏电阻的电阻变大，供给信号处理系统的电压变高。

这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理，就会自动将其转化为相应的数字，实现自动计数的功能。

考点二、传感器的应用

要点诠释：

1、力传感器的应用——电子秤

（1）力传感器

　　我们经常见到的电子秤所使用的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器是由金属架和应变片组成的，应变片是一种敏感元件，现在大多用半导体材料制成。

（2）工作原理

　　如图所示，弹性钢制成的梁形元件上、下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施加F，则梁发生弯曲，上表面拉伸而使电阻增大，下表面压缩而使电阻减小，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上、下应变片两端产生了一个电压差，传感器把这个电压差值输出，外力越大，输出的电压差值也就越大。

2、声传感器的应用――话筒

（1）话筒

　　话筒是一种常用的声传感器，类型虽多，但其作用都是将声信号转换为电信号。

常见类型有：

动圈式话筒、电容式话筒、驻极体话筒。

（2）电容式话筒的工作原理

　　如图所示，金属膜片M和固定电极N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。

　　（3）动圈式话筒的工作原理

　　如图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。

当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。

音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。

感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定。

这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

3、温度传感器的应用

　　温度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成。

它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。

（1）电熨斗

　　如图所示，内部装有双金属片温度传感器，双金属片的上部金属膨胀系数大，下部金属膨胀系数小，则双金属片受热向下弯曲，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，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。

（2）电饭锅

　　主要元件是感温铁氧体，常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，接通电源，但是当上升到约103℃的“居里温度”时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源从而停止加热。

　　（3）测温仪

　　测温仪可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来，由于电信号可以由测温地点传输到其他地方，所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值。

　　测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线、敏感元件等。

4、光传感器的应用

（1）机械式鼠标

　　鼠标器移动时，滚球运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。

（2）火灾报警器

　　如图为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是：

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。

考点三、简单的逻辑电路

一、简单的逻辑电路

要点诠释：

　　1．“与”门电路

（1）“与”逻辑关系：

有两个（或多个）控制条件作用会产生一个结果，当两个（或多个）条件都满足时，结果才会成立，这种关系称为“与”逻辑关系。

（2）“与”门电路：

满足“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路。

　　（3）“与”门的逻辑符号：

见图。

　　（4）“与”门反映的逻辑关系：

Y=A×B。

“与”门的真值表可由此关系填写。

　　（5）“与”门电路的特点：

当输入都为“0”时，输出为“0”；当一个输入为“0”，另一个输入为“1”时，输出为“0”；当输入都为“1”时，输出为“1”。

　　2．“或”门电路

（1）“或”逻辑关系：

在几个控制条件中，只要有一个条件得到满足，结果就会发生这种关系称为“或”逻辑关系。

（2）“或”门电路：

满足“或”逻辑关系的电路称为“或”门电路。

　　（3）“或”门的逻辑符号：

见图。

　　（4）“或”门反映的逻辑关系：

Y=A＋B。

“或”门的真值表可由此关系填写。

　　（5）“或”门电路的特点：

当输入都为“0”时，输出为“0”；当一个输入为“0”，另一个输入为“1”时，输出为“1”；当输入都为“1”时，输出为“1”。

　　3．“非”门电路

（1）“非”逻辑关系：

输出状态和输入状态成相反的逻辑关系，叫做“非”逻辑。

（2）“非”门电路：

满足“非”逻辑关系的电路称为“非”门电路。

　　（3）“非”门的逻辑符号：

见图。

　　（4）“非”门反映的逻辑关系：

，表示Y与A状态相反．“非”门真值表可由此关系填写。

　　（5）“非”门电路的特点：

当输入为“0”时，输出为“1”；当输入为“1”时，输出为“0”；“非”门的逻辑符号的“0”表示反相（又叫反相圈）。

二、斯密特触发器

　　如图所示，这种“非”门由于性能特别，称为斯密特触发器．当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值（1.6V）时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平（0.25V），而当输入端A的电压下降到另一个值（0.8V）的时候，Y会从低电平跳到高电平（3.4V）。

斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行光控所需要的。

（1）斯密特触发器是一种“非”门，当输入端电压上升（下降）到某值时，输出端电压会从高电平跳到低电平（低电平跳到高电平）。

（2）斯密特触发器一般应用于光控开关或温度报警器，电路中有一光敏电阻或热敏电阻用于改变输入端电压。

三、对逻辑关系的理解

　　1．对“与”逻辑关系的理解

（1）生活中的“与”逻辑关系：

某单位财务室为了安全，规定不准一个人（甲或乙）单独进入。

为此，在门上安装了两把锁。

只有甲与乙两个人同时打开各自的锁时，门才打开。

它体现了“与”逻辑关系。

（2）“与”逻辑电路　（3）“与”门的真值表

　　2．对“或”逻辑关系的理解

（1）生活中的“或”逻辑关系：

某寝室的4名同学每人都配了一把门钥匙，各人都可以用自己的钥匙单独开门，它体现了“或”逻辑关系。

（2）“或”逻辑电路　（3）“或”门的真值表

3．对“非”逻辑关系的理解

（1）“非”逻辑电路　

（2）“非”门的真值表

四、逻辑电路与传感器的应用举例

　　1．光控开关

　　如图是光控电路的工作原理示意图。

白天，光照强度较大，光敏电阻电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通，当天色暗到一定程度时，的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6V），输出端Y突然从高电平跳到低电平（0.25V），则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。

　　要想在天更暗时路灯才会亮，应该把的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V），就需要的阻值达到更大，即天色更暗。

　　2．温度报警器

　　电路原理图如图所示，常温下，调整的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣