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第六章传感器

第六章传感器

§6.1传感器及其工作原理

【学习目标】

1、知道什么是传感器

2、了解传感器的常用元件的特征

【自主学习】

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、h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=_____

【学后反思】

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

参考答案

典型例题:

例1、分析:

若往Rt上擦一些酒精,由于酒精蒸发吸热,热敏电阻Rt温度降低,电阻值增大,所以电流减小,指针应向左偏;用吹风机将热风吹向电阻,电阻Rt温度升高,电阻值减小,电流增大,指针向右偏。

_左__右__

例2、分析:

热敏电阻的阻值随温度变化而变化,定值电阻和光敏电阻不随温度变化;光敏电阻的阻值随光照变化而变化,定值电阻和热敏电阻不随之变化。

答案:

AC

例3、分析:

当F向上压膜片电极时,电容器的电容将增大,电流计有示数,则压力F发生了变化。

答案:

BC

例4、解:

因为自由电荷为电子,故由左手定则可判断电子向上偏,则上表面聚集负电荷,下表面带多余的正电荷,故下表面电势高,设其稳定电压为U。

当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时,即q

=QvB

又因为导体中的电流I=neSv=nev·bd

故U=

答案:

下表面电势高电势差为

针对训练:

1、光电热电

2、声控声音电

3、A4、C

5、角度增大,正对面积减小,电容器电容变小

能力训练:

1、ABD2、B3、A4、ABC5、A6、C7、C8、ABD

9、

§6.2传感器的应用实例

(一)

学习目标:

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.

自主学习:

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,___

6-2-1

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.

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?

6-2-2

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:

A②③④B①②③

C①②④D①③④乙

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

针对训练:

6-2-4

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.在家用电热灭蚊器中,电热部分主要元件是PTC元件,PTC元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器,其电阻率ρ随温度t的变化关系如图6-2-6所示,由于这种特性,PTC元件具有发热、保温双重功能,对此,以下判断正确的是

1通电后,其电功率先增大,后减小

②通电后,其电功率先减小,后增大

③当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1不变

④当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1和t2之间的某一值不变

A①③B②③C②④D①④

6.计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器,该电容器的电容可用公式C=εS/d计算,式中ε=9×10-12,S为金属片的正对面积,d表示两金属片间距.当键被按下时,此电容器的电容发生变化,与之相连的电子线路就能检测出那个键被按下了,从而给出相应的信号.设每个金属片的正对面积为50mm2,键未按下时的金属片间距为0.6mm.如果电容变化0.25pF,电子线路恰能检测出必要的信号,则键至少需要被按下()

A0.15mmB0.25mmC0.35mmD0.45mm

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=____.

6.如图6-2-11所示,神州五号飞船发射升空时,火箭内测试仪台上放一个压力传感器,传感器上面压一质量为M的物体,火箭点火后从地面加速升空,当升到某一高度时,加速度为a=g∕2,压力传感器此时显示出物体对平台的压力为点火前压力的17/16,已知地球的半径为R,g为地面附近的重力加速度,试求此时火箭离地面的高度____.

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.某学生为了测量一物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面的压力.(比例系数为k)如图6-2-13(a)所示,测量时先调节输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为0,而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.现有下列器材:

力电转换器,质量为m0的砝码,电压表,滑动变阻器,干电池各一个,电键及到县若干,待测物体(可置于力电转换器的受压面上).请完成对该物体质量的测量.

(1)设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可调,并且使电压的调节范围尽可能大,在图中画处完整的测量电路图.

(2)简要说明测量步骤,求出比例系数K,并测出待测物体的质量m.

学后反思:

参考答案

典型例题:

例1。

解析:

(1)如图6-2-14所示左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14N,右侧弹簧对滑块的向左的推力F2=6.0N,滑块所受合力产生加速度a1,由牛顿第二定律得:

F1-F2=ma1,所以a1=4m/s2。

同方向,(向右)

(2)传感器a的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F11=0,所以右测弹簧的弹力变为F21=20N,,由牛顿第二定律有:

F21=ma2,所以a2=10m/s2.方向向左.

例2:

解析:

话筒的工作原理是,声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流.①正确,录音时,话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场,④正确,磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流,经放大电路后再送到扬声器中,②正确答案:

C

例3:

解析:

将由热敏电阻为主要元件的温控电路接入左侧接线柱,报警器接右侧接线柱.

针对训练:

1.C2.BD3.B4.AC5D6D

能力训练:

1.B2.夹角变化,引起电容器电容的变化,若电容器时终与电源相接,电压不变,电容变化时电容器就会充电或放电,形成充电或放电电流.3.BD4.A5.

6.R/37.

(1).常温时,上下触点接触,使电路接通,电热丝工作.

(2).双金属片的上面一层形变大.(3).应向上调节调温旋钮,双金属片受热时,易使触点分离.

8.解析

(1)设计电路如图

(2)测量步骤与结果:

①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零,②将砝码放在转换器上,记下输出电压U0,③将待测物放在转换器上,记下输出电压U

由U0=km0g,得k=U0/m0g

U=kmg,所以m=m0U/U0

§6.3传感器的应用复习学案

(二)

学习目标

1.知道电饭锅的结构和原理,加深对温度传感器的应用认识。

2.了解测温仪,知道应用温度传感器测量温度的优点。

3.了解鼠标器的主要结构,知道其工作原理。

4.了解光传感器的应用——火灾报警器。

自主学习

一.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。

二.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。

三.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.电饭煲的工作原理如图所示,可分为两部分,即控制部分:

由S2、、R1和黄灯组成,工作(加热)部分;有发热电阻R3、、R2和红灯组成,S1是一个磁钢限温开关,手动闭合,当此开关的温度达到居里点(103℃)时,自动断开,且不能自动复位,S2是一个双金属片自动开关,当温度达到70℃—80℃时,自动断开,低于70℃时,自动闭合,红灯、黄灯是指示灯,通过其电流必须较小,所以R1、、R2起___作用,R3是发热电阻,由于煮饭前温度低于70℃,所以S2是___(填断开或闭合)。

接通电源并按下S1后,黄灯熄而红灯亮,R3发热,当温度达到70℃—80℃时,S2断开,当温度达到103℃时饭熟,S1断开,,当温度降到70℃以下时,S2闭合,电饭煲处于保温状态,由以上描述可知R2____R3(填﹤或﹦或﹥),若用电饭煲烧水时,直到水被烧干S1才会断开,试解释此现象。

例2.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.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

2.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

3.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

4.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

5.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.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

2、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

3、如图

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