1传感器及其工作原理.docx

1传感器及其工作原理.docx

《1传感器及其工作原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1传感器及其工作原理.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1传感器及其工作原理

1传感器及其工作原理

【复习目标】

1、知道什么是传感器

2、了解传感器的常用元件的特征

【知识整理】

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。

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＿＿＿＿信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。

常见的传感器有：

＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、力

传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。

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：

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＿＿＿＿＿。

它能用把＿＿＿＿这个热学量转换为＿＿＿＿这个电学量。

热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而＿＿＿＿或＿＿＿＿。

与热敏电阻相比，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

【典型例题】

例一、

如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。

若往Rt上擦一些酒精，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动。

例二、传感器是一种采集信息的重要器件。

如图所示是一种测定压力的电容式传感器。

当待测压力F作用于可动膜片电极时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串联成闭合电路，那么（）

A、当F向上压膜片电极时，电容将减小

B、当F向上压膜片电极时，电容将增大

C、若电流计有示数，则压力F发生变化

D、若电流计有示数，则压力F不发生变化

例三、如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？

电势差是多少？

（此题描述的是著名的霍尔效应现象）

【针对训练】

1、简单的说，光敏电阻就是一个简单的＿＿＿＿＿传感器，热敏电阻就是一个简单的＿＿＿＿＿传感器。

2、为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接。

当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为＿＿＿＿传感器，它输入的是＿＿＿＿信号，经传感器转换后，输出的是＿＿＿＿信号。

3、

如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液构成电容品的两极，把这两极接入外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（）

A、h增大　　B、减小

C、h不变D、无法确定

4、如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，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、如图所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度

发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的。

【能力训练】

1、关于光敏电阻，下列说法正确的是（）

A、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

B、硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好

C、硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好

D、半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好

2、霍尔元件能转换哪两个量（）

A、把温度这个热学量转换为电阻这个电学量

B、把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量

C、把力转换为电压这个电学量

D、把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量

３、如图所示是测定位移的电容式传感器，其工作原理是哪个量的变化，造成其电容的变化（）

Ａ、电介质进入极板的长度

Ｂ、两极板间距

Ｃ、两极板正对面积

Ｄ、极板所带电量

４、如图所示，Ｒ１、Ｒ２为定值电阻，Ｌ是小灯泡，Ｒ３为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）

Ａ、电压表的示数增大

Ｂ、Ｒ２中电流减小

Ｃ、小灯泡的功率增大

Ｄ、电路的路端电压增大

5、如图所示，Ｒ３是光敏电阻，当开关Ｓ闭合后在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻Ｒ３时，则（）

Ａ、Ｒ３的电阻变小，a点电势高于b点电势

Ｂ、Ｒ３的电阻变小，a点电势低于b点电势

Ｃ、Ｒ３的电阻变小，a点电势等于b点电势

Ｄ、Ｒ３的电阻变大，a点电势低于b点电势

6、有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是（）

A、金属导体B、绝缘体C、半导体D、超导体

7、如图是观察电阻值随温度变化情况示意图。

现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是（）

A、如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显

B、如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显

C、如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化非常明显

D、如果R为热敏电阻（用半导体材料制作），读数变化不明显

8、图是霍尔元件的工作原理示意图，用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。

以下说法中正确的是（）

A、将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大

B、在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

C、在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平

D、改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化

9、如图所示宽度为d，厚度为h的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当有电流I通过金属板时，在金属板上侧面A和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应，若金属板内自由电子密度为n，则产生的电势差U＝＿＿＿＿＿

2、传感器的应用实例

（一）

【复习目标：

】

１、知道传感器应用的一般模式.

２、理解电子秤的原理----力传感器的应用.

３、理解话筒的原理----声传感器的应用.

４、理解电熨斗的原理----温度传感器的应用.

5、会设计简单的有关传感器应用的控制电路.

【知识整理】：

一、力传感器的应用-----电子秤

1.电子秤理有＿＿＿＿＿＿片、电压放大器、模数转换器微处理器和数字显示器等器件.电阻应变片受到力的作用时,它的＿＿＿＿会发生变化,把应变片放在合适的电路中,他能够把物体＿＿＿＿这个力学量转换为＿＿＿＿这个电学量,因而电子秤是＿＿＿＿的应用.

2.工作原理:

如图6-2-1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＿＿＿,下表面应变片的电阻变小.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变大,下面应变片两端的电压变小.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.

3.驻极体话筒:

它的特点是＿＿＿＿,＿＿＿＿,＿＿＿＿,＿＿＿＿.其工作原理同电容式话筒,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,由于双金属片受热膨胀系数不同,上部金属膨胀＿＿＿＿,下部金属膨胀＿＿＿,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.

四．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。

五．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。

六．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。

典型例题：

例1用如图6-2-2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、后壁上各安装一个有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2.0㎏的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上其压力大小可以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,a在后.汽车静止时,传感器a、b的示数均为10N（取g=10m／s2）

（1）若传感器a示数为14N，b的示数为6.0N,求此时汽车的加速度和方向?

（2）当汽车一怎样的加速度运动时,传感器a的示数为零？

例2动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象,图6-2-3甲所式是话筒原理,图

6-2-3乙所式是录音机的录音、放音原理图,由图可知:

1话筒工作时录音磁铁不动,线圈振动而产生感应电流.

2录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流

3

录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场甲

4录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝

隙处产生变化的磁场

其中正确的是:

A②③④B①②③C①②④D①③④

例3设计制作一个温度自动控制装置（温控报警器）:

自己设计一个有热敏电阻作为传感器的简单自动控制试验.在图6-2-4中画出设计电路,并进行连接

例4．如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接受器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。

车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接受并转换成电信号，由电子电路记录和显示。

若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；小车的速度表达式为V＝＿＿＿＿＿＿；行程的表达式为S＝＿＿＿＿＿。

针对训练：

1、电子秤使用的是

A.超声波传感器B温度传感器C压力传感器D红外线传感器

2、关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是

A应变片是由导体材料制成B当应变片的表面拉伸时,其电阻变大,反之变小

C传感器输出的是应变片上的电压D外力越大,输出的电压差值也越大

3、下列器件不是应用温度传感器的是

A.电熨斗B话筒C电饭锅D测温仪

4.电容式话筒的保真度比动圈式话筒好,其工作原理如图6-2-5所示,Q是绝缘支架,M是薄金属膜和固定电极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,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、测温仪使用的是（）

A、光传感器B、红外线传感器C、温度传感器D、超声波传感器

6.下列器件是应用光传感器的是（）

A、鼠标器B、火灾报警器C、测温仪D、电子称

7.鼠标器使用的是（）

A、压力传感器B、温度传感器　　C、光传感器D、红外线传感器

8.关于电饭锅的说法正确的是（）

A、电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁

B、铁氧体在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性

C、用电饭锅烧水,水开时能自动断电

D、用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位

9.应用温度传感器可以远距离读取温度的数值,这是把＿＿＿＿转变为＿＿＿的一大优点

能力训练：

1.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

2.如图6-2-7所示为一种测定角度的传感器,当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度θ发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的。

3．图6-2-8中电容式话筒右测固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的渡上金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b分别通过导线与恒定电源两极相接。

声源s做位移X=Asin（200πt）的振动，则有（）

A.a振动过程中a、b板之间的电场强度不变

B.a振动过程中话筒会产生电磁波

Ｃ．导线ac的电流的频率为1000Hz

Ｄ．a向右位移最大时a、b板形成的电流最大

4．如图６－２－９是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面渡有薄薄的金属层，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，导致话筒所在的电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容两极板间的（）

A．距离变化B．正对面积变化

C．介质变化D.电压变化

5.磁场具有能量,磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度,其值为B2∕2µ.式中B是磁感应强度,µ是磁导率,在空气中µ为一已知常数,为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感应强度B,一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P,再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离ΔL,并测出拉力F,如图6-2-10所示,因为F所做的功等于间隙中磁场的能量,所以由此可得此感应强度B与F、A之间的关系为B=＿＿＿＿.

7.如图6-2-12是电熨斗温度自动控制装置.

1、常温时,上、下触点应是分离,还是接触?

2、双金属片温度升高时,那一层形变大?

3、假设原来温度上升到800C时,断开电源,现在要求600C时断开电源,应怎样调节调温旋钮?

8．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是　

Ａ．金属导体　Ｂ．绝缘体　　Ｃ．半导体　　　Ｄ．超导体

9、如图所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，LED为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与LED相距不变，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消耗的功率减小

C．当滑动触头P向右移动时，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

10、如图所示，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（）

A、电压表的示数增大B、R2中的电流强度减小

C、小灯泡的功率增大D、电路的路端电压降低

11、下面元件不属于温度传感器的是（）

A、电熨斗B、电饭锅C、测温仪D、鼠标器

12、用遥控器调换电视频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化成电信号的过程，下列属于这类传感器的是（）

A、红外报警装置

B、走廊照明灯的声控装置

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

13、火灾报警器使用的是（）

A、光传感器B、温度传感器C、红外线传感器D、超声波传感器

14、.如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中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，信号处理系统获得高电压

B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压

C．信号处理系统每获得一次低电压就记数一次

D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次

15、将万用表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rg的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央，若用不透光的黑纸将Rg包裹起来，表针将向＿＿＿（填“左”或“右”）转动，若用手电筒光照射Rg，表针将向＿＿＿（填“左”或“右”）转动。

16、如图所示甲为在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图，箱内电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，R1为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。

当a、b端电压Uab﹤0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab﹥0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在＿＿＿℃。

甲乙

3、传感器的应用实例

【复习目标】：

１、知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性.

２、知道晶体三极管的放大特性.

３、掌握逻辑电路的基本知识和基本应用.

４、综合实验培养动手能力，体会物理知识实际中的应用.

【知识整理】：

１、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.

２、晶体三极管

（１）晶体三极管能够把微弱的信号＿＿＿＿＿。

晶体三极管的三极分别为发射极e.基极b和集电极c.

（２）传感器输出的电流或电压很＿＿＿，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。

三极管的放大作用表现为基极b的电流对电极c的电流起了控制作用。

３、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）斯密特触发器是具有特殊功能的非门。

典型例题：

例１：

如图所示的光控电路，用二极管LED模仿路灯，ＲG为光敏电阻，Ｒ1的最大电阻为

Ｒ2为

，试分析其工作原理。

例２：

温度报警器电路如图所示，请说明其工作原理。

针对训练：

1、可以用型号为74LS14的非门集成电路，发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器，电路如图所示。

使用时，将检测器的输入端Ａ接到被测点。

请分析：

当被测点为高电平时，LED是否发光？

低电平时呢？

说出道理。

２、随着人们生活质量的提高，自动干手机已进入家庭洗手间，当人将湿手靠近干手机时，机内的传感器便驱动电热器加热，于是有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，这是因为（）

Ａ、改变了湿度Ｂ、改变了温度Ｃ、改变了磁场Ｄ、改变了电容

能力训练：

1、现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图10-3-18所示，试设计一个温控电路．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，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．

2、如图10-3-6所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有

、

两个滑动头，

可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，

刚好指着A端，

与托盘固定相连，若

、

间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为

，托盘自身质量为

，电源电动势为

，内阻不计，当地的重力加速度为

．求：

⑴托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，

离A的距离

．

⑵托盘上放有质量为

的物体时，

离A的距离

．

⑶在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：

调节

，使

离A的距离也为

，从而使

、

间的电压为零．校准零点后，将物体

放在托盘上，试推导出物体质量

与

、

间的电压

之间的函数关系式．