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1、第六章 传感器第六章 传感器 学习目标学习内容知识与技能过程与方法情感态度与价值观传感器及其工作原理了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义。认识一些制作传感器的元器件，知道这些传感器的工作原理通过对实验的观察、思考和探究，在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养观察能力、实践能力和创新思维能力1体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学习兴趣。通过动手实验，培养实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。培养规范、严谨的科学态度。培养热爱科学的情感和崇尚科学的精神传感器的应用了解传感器应用的模式。了解传感器在生产、生活中有哪些具体应

2、用，为利用传感器制作简单的自控装置作好铺垫通过了解传感器应用的实际例子，体会传感器在社会生活中的重大作用传感器的应用实例动手组装和调试简单的传感器电路，初步了解设计传感器电路的基本方法；进一步认识传感器的相关原理通过设计实际例子，体会从生活走向物理，从物理走向生活，以此提升动手能力和科学素养 探究实践一、本章知识结构二、本章重难点分析1传感器传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照强度等)转换成易于测量、传输、处理的电学量(如电压、电流、电容等)的一种组件，起自动控制作用。它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列为20世纪80年代十大技术之

3、首，美国把传感器技术列为90年代的关键技术，而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾。2制作传感器的元器件原理(1)光敏电阻光敏电阻在光照射下其电阻发生变化。例如硫化镉，是一种半导体材料，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。光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为不同的电阻值。(2)热敏电阻和金属热电阻金属导体的电阻随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学

4、量转换为相应的电阻值，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。例1 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，用黑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置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化不明显，这只元件一定是定值电阻C用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻分析：热敏电阻对温度变化有响应，光敏电阻对光的强

5、度有响应。所以如果放入热水和不置于热水中电阻变化大说明该元件为热敏电阻，如果电阻变化不明显只能说明对温度不敏感，不一定是定值电阻。同理可以判断是否为光敏电阻。故选AC。*(3)霍尔元件在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作4个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件，如图所示。在E、F间通入恒定电流，同时外加与薄片垂直的磁场B，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现了电压，称为霍尔电压UH。设薄片的厚度为d，载流子带电为q，通过的恒定电流为I。假设载流子带正电，则载流子的运动方向为EF，设速度大小为v，则载流子受到洛伦兹力向M板运动，在N

6、板则留下了等量的异种电荷，于是在MN方向上形成了一个电场，该电场阻碍载流子在MN方向上的运动。稳定时电场力和洛伦兹力大小相等，方向相反。所以， (H为M、N间距)，得UHBvH。同时由电流的微观解释可得Inqsv(n为单位体积的载流子数，s为导体的横截面积)。当电流达到稳定时， ，其中k为霍尔系数，可见k的大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。例2 将导体放在沿x方向的匀强磁场中，并通有沿y方向的电流时，在导体的上下两侧面间会出现电势差，此现象称为霍尔效应。利用霍尔效应的原理可以制造磁强

7、计，测量磁场的磁感应强度。磁强计的原理如图所示，电路中有一段金属导体，它的横截面为边长等于a的正方形，放在沿x正方向的匀强磁场中，导体中通有沿y方向、电流强度为I的电流，已知金属导体单位体积中的自由电子数为n，电子电量为e，金属导体导电过程中，自由电子所做的定向移动可以认为是匀速运动，测出导体上下两侧面间的电势差为U。求：(1)导体上、下侧面那个面电势较高?(2)磁场的磁感应强度是多少?分析：(1)自由电子受到指向z轴负方向的洛伦兹力，向下侧移动，故上侧面电势高。(2)电子受到静电力与洛伦兹力的作用，两力平衡，有eU/aevB，而通过导体的电流强度Inevaa，解得。3传感器应用的一般模式传感

8、器应用的一般模式为传感器将非电信号通过传感器转化为电信号然后放大。最后驱动执行机构、显示或进一步由计算机处理。例如现在在中学广泛采用的数字化信息系统实验室(Digital Information System Laboratory，简称：DISLab)就是由“传感器数据采集器实验软件包计算机”构成的新型实验系统。该系统成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合，在实验上收到了许多意想不到的成功。该系统构成如下：4传感器的应用力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声音信号转换为电信号；温度传感器是把温度的变化转化为电阻的变化。传感器常用来进行自动控制。(

9、1)力电传感器的应用电子秤应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量。力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转化为电学信号(电压、电流等)的元件。力电传感器广泛地应用于工业生产和现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。(2)声传感器的应用话筒声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。动圈式话筒的工作原理和工作过程：膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流(电信号)，感应电流的大小和方向都变化，振幅和

10、频率的变化都由声波决定，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。电容式话筒的工作原理和工作过程：利用电容器充放电形成的充放电电流。薄金属膜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。优点：保真度好。驻极体话筒的工作原理：驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。优点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。例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

11、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原理工作的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分析：膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流(电信号)，感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，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。故选B。(3)温度传感器的应用电熨斗、电饭煲、测温仪热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器，一般有两类：一类是随温度变化引

12、起传感器中某个组件形状的变化(如热胀冷缩)达到转换信号的目的；还有一类是随温度变化引起电阻的变化(如半导体材料中热敏电阻随温度升高电阻减小)达到转换信号的目的。例4 如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103)时会自动断开，S2是一个自动温控开关，当温度低于约70时会自动闭合，温度高于80时会自动断开，红灯是加热状态时的指示灯，黄灯是保温状态时的指示灯，限流电阻R1R2500，加热电阻丝R350，两灯电阻不计。(1)根据电路分析，叙述电饭煲煮饭的全过程(包括加热和保温过程)。(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲的消耗功率之比。(3)简要回答，如果

13、不闭合开关S1，电饭煲能将饭煮熟吗?分析：(1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80，S2自动断开，S1仍闭合；水烧开后，温度升高到103时，开关S1自动断开，这时饭已经煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态。由于散热，待温度将至70时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80时，S2又自动断开，再次处于保温状态。(2)加热时电饭煲消耗的电功率，保温时电饭煲消耗的功率，两式中，从而有(3)如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功率为P1，当温度上升到80时，S2自动断开，功率降为P2，温度降到70，S2自动闭

14、合温度只能在7080之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。(4)光传感器的应用鼠标器、火灾报警器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管，依据光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。光电传感器，把光信号转化为电信号，然后对电信号进行放大，再将电信号输入到相应的装置，进而完成相应的自动控制。三、探究与拓展做一做用电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：光敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。想一想在日常生活中，还有哪些地方用到了传

15、感器?举例并尝试分析传感器的原理。读一读1传感器在科技发展中的重要性(1)传感器的作用与地位人类社会已进入信息时代，人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以传感器的作用与地位就特别重要了。若将计算机比喻为人的大脑，那么传感器则可以比喻为人的感觉器官。可以设想，没有功能正常而完美的感觉器官，不能迅速而准确地采集与转换欲获得的外界信息，纵有再好的大脑也无法发挥其应有的作用。科

16、学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。所以，20世纪80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，备受重视。(2)传感器技术是信息技术的基础与支柱前面谈到，现在人类社会已经进入信息时代，因而信息技术对社会发展，科学进步将起决定性作用。现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。而且传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将会影响整个系统的工作状态与质量。因此，近十年来，人们对传感器在信息社会中的作用与重要性，又有新的认识与评价。(3)科学技术的发展与传感器有密切关系传感器的重要性还体现在它已经广泛的应用于各个学科领域。

17、例如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域，都与传感器有密切关系。而且传感器发展水平，会对其他学科发展产生制约作用。科学技术上的每一个发现与进步，都离不开传感器与检测技术的保证。2传感器技术的发展动向传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。所以如何采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现

18、传感器的集成化与智能化。(1)发现新现象利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与新效应是发展传感技术的重要的工作，是研制新型传感器的重要基础。其意义极为深远。例如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件，而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单，它可用于磁成像技术，具有广泛推广价值。(2)开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而可以设计制造出用于各种传感器的功能材料，例如半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作

19、温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者极大兴趣。(3)采用微细加工技术半导体技术中的加工方法如氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镀、溅射薄膜工艺都可引进用于传感器制造，因而制造出各式各样新型传感器。例如，利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精三维加工，在硅片上构成孔、沟、棱、锥、半球等各种形状，制作出全硅谐振式压力传感器。(4)研究多功能集成传感器日本丰田研究所开发出同时检测Na、K和H等

20、多离子传感器。这种传感器的芯片尺寸为2.5mm0.5mm，仅用一滴液体，如一滴血液即可同时快速检测出其中Na、K、H的浓度，对医院临床非常适用与方便。催化金属栅与MOSFEJ相结合的气体传感器已广泛用于检测氧、氨、乙醇、乙烯和一氧化碳等。我国某传感器研究所研制的硅压阻式复合传感器可以同时测量压力与温度。(5)智能化传感器智能传感器是一种带微处理器的传感器，它兼有检测、判断和信息处理功能。其典型产品如美国霍尼尔公司的ST3000型智能传感器，其芯片尺寸为342mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制作CPUEPPOM和静压、压差、温度等三种敏感元件。(6)新一代航天传感器研究众所周知，在航天器的各

21、大系统中，传感器对各种信息参数的检测，保证了航天器按预定程序正常工作，起着极为重要的作用。随着航天技术的发展，航天器上需要的传感器越来越多，例如，航天飞机上安装3500支左右传感器，对其指标性能都有严格要求，如小型化、低功耗、高精度、高可靠性等都有具体指标。为了满足这些要求，必须采用新原理、新技术研制出新型的航天传感器。(7)仿生传感器研究值得注意的一个发展动向是仿生传感器的研究，应该给予高度重视，特别是在机器人技术向智能化高级机器人发展的今天。仿生传感器就是模仿人的感觉器官的传感器，即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、触觉传感器等。目前只有视觉与触觉传感器解决的比较好，其他几种

22、远不能满足机器人发展的需要。也可以说，至今真正能代替人的感觉器官功能的传感器极少，需要加速研究，否则将会影响机器人技术的发展。(摘自国防科技大学出版社传感器原理设计与应用) 诊断反馈全章练习一1如图所示：(1)图甲是_的电容式传感器，原理是_；(2)图乙是_的电容式传感器，原理是_；(3)图丙是_的电容式传感器，原理是_；(4)图丁是_的电容式传感器，原理是_。2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

23、“右”)移动。3如图所示是电阻式温度计，一般是利用金属做的，已知金属丝的电阻随温度的变化情况，测出金属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。4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5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

24、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6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的示意图，A为光源，B为光电接收器，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发光的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后就成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，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量或数据是_；小车速度的表达式为v_；行程的表达式为s_。*7用传感器进行自动控制时，常常要用到继电器如图所示为初中学过的继电器原理示意图。其中L是电磁

25、铁，当ab间接通电源后，衔铁S被吸引向下，这样，ce由原来闭合接通的状态变为断开，而cd则由原来断开的状态变为闭合接通。通常将传感器、低压电源接入与电磁铁元件相连的ab回路来执行对继电器的控制，而cde回路则用来执行对有关电器的控制，试设计一个用光敏电阻来控制路灯的实验电路，要求：光暗时灯亮，光亮时灯熄。可供选择的仪器如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。8如图为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的IU关系曲线图。(1)为了通过测量得到图1所示IU关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图_；简要说明理由：_。(电源电动势为9V，内阻

26、不计，滑线变阻器的阻值为0100)。 图1 图2 图3 图4(2)在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1250。由热敏电阻的IU关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_V；电阻R2阻值为_。全章练习二一、选择题1下列元件利用了光传感器的是( )A火灾报警器 B电饭锅 C测温仪 D加速度计2下列说法正确的是( )A话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号B电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控制电路的通断C电子秤所使用的测力装置是力传感器D半导体热敏电阻常用作温度传感器，因为温度越高，它的电阻值越大3如图所示，R1、R2、

27、R3是固定电阻，R4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R4时( )AR4的阻值变小，a点电势高于b点电势BR4的阻值变小，a点电势低于b点电势CR4的阻值变大，a点电势高于b点电势DR4的阻值变大，a点电势低于b点电势4有一热敏电阻的电阻值随温度变化的Rt图如图所示，现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上，做成一个电子温度计，为了便于读数，再把欧姆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( )At1t2段Bt2t3段Ct3t4段Dt1t4段5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

28、的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计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若电容变大，则力F增大D以上说法都不对6霍尔元件能转换哪两个物理量A把温度这个热学量转换成电阻这个电学量B把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量C把力这个力学量转换成电压这个电学量D把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量二、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，如图所示。将烧杯装入2/3的水，并用铁架台将装置固定在加热器上。闭合开关S，当热敏电阻放入凉水中时，电流表示数为I1；将热敏电阻

29、放入温水中，电流表示数为I2；将热敏电阻放入开水中，电流表示数为I3。则I1、I2、I3的大小关系为_。8黑箱上有三个接线柱A、B、C如图所示，已知里面装的元件只有两个(可能的元件是电池、电阻或二极管)，并且两个接线柱之间最多只接一个元件，现用多用表去进行检测，其检测结果如下：用直流电压挡测量，A、B、C三接线柱之间均无电压；用欧姆挡测量，A、C之间正、反接电阻值不变；用欧姆挡测量，黑表笔接A，红表笔接B，有电阻，黑表笔接B，红表笔接A，电阻值较大；用欧姆挡测量，黑表笔接C，红表笔接B，有电阻，阻值比步测得的大；反接电阻值很大。画出箱内两个元件的接法。三、计算题9加速度计是测定物体加速度的仪器

30、，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，敏感元件下端的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且内阻不计，滑动变阻器的总阻值为R，且总电阻有效长度为L。静态时，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大小；(2)求用输出信号的电压U来表示待测系统加速度a的表达式。会考练习题一、直线运动1(2002春)匀速直线运动的加速度( )A为正值 B为负值C为零 D可能为正也可能为负2(2005夏)关于物体的加速度，下列说法中正确的是( )A运动的物体一定有加速度B物体的速度越大，它的加速度一定越大C物体的速度变化快，它的加速度也一定越大D物体的速度为零，它的加速度也一定为零3(2003)两个物体从同一地点的同一高度，同时开始做自由落体运动，那么( )A质量较大的物体先到达地面 B密度较大的物体先到达地面C