传感器的原理及应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、传感器的工作原理,1.概念:能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成,的器件或装置,叫传感器.,2.组成:一般由,、转换器件、转换电路三个部分组成.,3.原理: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.例如,光电传感器利用,将光信号转换成电信号;热电传感器利用,将温度信号转换成电信号.,传感器的原理及应用,考点自清,电信号,敏感元件,光敏电阻,热敏电阻,4.流程:,5.类别:最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换器)组成,它感受被测量时,直接输出电学量,如热电偶.有的传感器由敏感元件和转换器件组成,设有转换电路,如光电池、光电管等;有的传感器,转换电路不止一个,要经过若干次转换.,6.传感器的分类:目前对传感器尚无一个统一的分类方法,常用的分类方法有两个:,(1)按,分类,如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时,相应的传感器称为,传感器、,传感器、,传感器、速度传感器、加速度传感器.,(2)按传感器的,分类,可分为,传感器、,传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等.,7.传感器的元件:制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等.,输入量,温度,压力,位移,工作原理,电阻,电容,二、传感器的应用,1.力传感器的应用电子秤,(1)作用:称量物体重量,(2)敏感元件:应变片.应变片能够把物体形变这个力学量转换为,这个电学量.,2.声传感器的应用话筒,(1)话筒的作用:把声信号转换为电信号.,(2)话筒分类:电容式话筒;驻极体话筒;动圈式话筒.,电压,3.温度传感器:敏感元件:热敏电阻和,;,应用:电熨斗、电饭锅、测温仪、温度报警器.,4.光传感器:敏感元件:光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等;应用:鼠标、火灾报警器、光控开关.,金属热电阻,热点一 传感器的元件,1.光敏电阻:光敏电阻能把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.,(1)特性:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化.光照增强,电阻变小;光照减弱,电阻增大.,(2)工作原理:光敏电阻是用半导体材料制成的,硫化镉在无光时,载流子(导电电荷)极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子也增多,导电性能变好.,热点聚焦,2.热敏电阻和金属热电阻:热敏电阻或金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量.,(1)特性:金属的电阻率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.有些半导体,电阻率随温度的变化非常明显;温度上升时,有些半导体的导电能力增强.,(2)电阻温度特性曲线(如图1所示),a,金属导线;,b,热敏电阻.,图1,特别提示,对于金属热电阻其阻值随温度的升高而增大,而一般的半导体热敏电阻其阻值随温度的升高而减小.,3.霍尔元件: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.,(1)特性:霍尔电压,U,H,= ,式中,d,为薄片的厚度,k,为霍尔系数,它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,U,H,的变化就与,B,成正比(如图2所示).,(2)工作原理:外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力,在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场;横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力.当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板左右两侧会形成稳定的电压.,图2,热点二 常用的电容式传感器,1.角度的电容式传感器,原理是当旋转动片时,电容器两个彼此绝缘的金属板的正对面积发生变化,从而引起电容发生变化.如图3甲所示.,图3,2.液体的电容式传感器,原理是导电液体相当于电容器的一个极板,当液体的深度发生变化时,相当于两个极板的正对面积发生变化,从而电容发生变化.如图乙所示.,3,.位移的电容式传感器,原理是当电解质板插入两金属极板间不同的距离时,随着电解质板位移的变化,电容随之变化.如图丙所示.,4.,压力的电容式传感器,原理是当作用在一个电极上的压力改变时,金属片的形状发生变化,两金属板的距离发生变化,电容随之改变.如图丁所示.,5.机械式鼠标,(1)内部构成:滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管(光传感器),如图4所示.,(2)工作原理:鼠标移动时,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,两个方向上的脉冲信号,处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移.,图4,题型探究,题型1 传感器的工作原理,【,例1,】 如图5甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图,其中上板为固定极板,下板为待测物体,在两极板间电压恒定的条件下,极板上所带电荷量,Q,将随待测物体的上下运动而变化.若,Q,随时间,t,的变化关系为,Q,= （,a,、,b,为大于零的常数）,其图象如图乙所示,那么图丙、图丁中反映极板间场强大小,E,和物体速率,v,随,t,变化的图线可能是（）,图5,A.和B.和,C.和D.和,本题解题的关键点是,(1)电容器的基本公式,U,= .,(2)匀强电场中满足,E,= .,(3)根据函数确定图象大致形状.,思路点拨,解析,平行板电容器间电压恒定,板间场强,E,=,故,E,Q,即,E, ,故可能正确.,板间电荷量,Q,=,UC,=,U,与已知,Q,随时间的变化关系对比可知,d,(,t,+,a,),即待测物体的运动为匀速运动,故可能正确.,答案,C,本题以电容式速度传感器和图象立意命题,考查了匀强电场中的场强与电势差的关系、平行板电容器知识和用图象表示物理量之间的关系等,本题难度较大.求解本题,要注意利用“,Q,随时间,t,的变化关系,Q,= 及其图象乙”这一信息,然后结合电场相关知识导出图丙、图丁涉及的两物理量间的数学关系式,进而判断给定图象的正误.,方法提炼,变式练习1,如图6所示是电饭锅的结构,试回答下列问题:,(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？,(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?,图6,(3)饭熟后,水分被大米吸收.锅底的温度会有什么变化?这时电饭锅会自动地发生哪些动作?,(4)如果用电饭锅烧水,能否在水沸腾后自动断电?为什么?,答案,(1)开始煮饭时压下手动开关,使永磁体和感温磁体吸合,以保持触点接触,接通电热电路;手松开后这个按钮不会恢复到图示状态,因为永磁体与感温磁体相互吸引,弹簧的弹力不能使永磁体恢复原状态.,(2)水沸腾后,锅内的温度应大致保持在100,因为水的沸点是100,此时水分未被米吸收完,锅内水分较充足,所以能保持一段时间.,(3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度会由100升到103,达到居里点,此时开关按钮会自动弹起,断开加热电路,进入保温状态.因为锅底温度达到103时,感温磁体失去磁性,永磁体再不能与它吸合,在弹簧的作用下,开关按钮恢复初始状态.,(4)如果用电饭锅烧水,水沸腾后不能自动断电,因为水沸腾的温度是100,而不能达到103(居里点),水将一直沸腾直到烧干.,题型2 温度传感器的应用,【,例2,】 如图,7,所示,图甲为热敏电阻的,R,t,图象,图乙为用此热敏电阻,R,和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器的电阻为,100,.当线圈的电流大于或等于,20,mA时,继电器的衔铁被吸合.为继电器线圈供电的电池的电动势,E,=,9.0,V,内阻可以不计.图中的“电源”是恒温箱加热器的电源.问:,图7,(1)应该把恒温箱内的加热器接在,(填“,A,、,B,”端或“,C,、,D,”端).,(2)如果要使恒温箱内的温度保持50,可变电阻,R,的阻值应调节为,.,思维导图,解析,恒温箱内的加热器应接在,A,、,B,端.当线圈中的电流较小时,继电器的衔铁在上方,恒温箱的加热器处于工作状态,恒温箱内温度升高.,随着恒温箱内温度升高,热敏电阻,R,的阻值变小,则线圈中的电流变大,当线圈的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸到下方来,则恒温箱加热器与电源断开,加热器停止工作,恒温箱内温度降低.,随着恒温箱内温度降低,热敏电阻,R,的阻值变大,则线圈中的电流变小,当线圈的电流小于20 mA时,继电器的衔铁又被释放到上方,则恒温箱加热器又开始工作,这样,就可以使恒温箱内保持在某一温度.,要使恒温箱内的温度保持50,即50时线圈内的电流为20 mA.由闭合电路欧姆定律,I,= ,r,为继电器的电阻.由图甲可知,50时热敏电阻的阻值为90 ,所以,R,= -,R,-,r,=260 .,答案,(1),A,、,B,端 (2)260,变式练习2,传感器担负着信息的采集任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量,(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量),例如热敏传感器,主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻.热敏电阻阻值随温度变化的图线如图8甲所示,图乙是由热敏电阻,R,t,作为传感器制作的简单自动报警器的线路图.问:,图8,(1)为了使温度过高时报警器铃响,c,应接在,(填,a,或,b,).,(2)若使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器滑片,P,点向,移动(填左或右).,(3)如果在调试报警器达最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片,P,都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路实际不能工作的原因可能是,.,答案,(1),a,(2)左 (3)可能是乙图中左边电源电压太低或者线圈的匝数太少或者弹簧的劲度系数太大等,题型3 压力传感器的应用,【,例3,】 如图9所示为某种电子秤的原理示意图,AB,为一均匀的滑动变阻器,阻值为,R,长度为,L,两边分别有,P,1,、,P,2,两个滑动头,P,1,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,P,1,刚好指着,A,端,P,1,与托盘固定相连,若,P,1,、,P,2,间出现电压时,该电压经过放大,通过信号转换器后在显示屏上可显示物体重力的大小.已知弹簧的劲度系数为,k,托盘自身质量为,m,0,电源电动势为,E,内阻不计,当地的重力加速度为,g,.求：,图9,(1)托盘尚未放物体时,在托盘自身重力作用下,P,1,离,A,的距离,x,1,.,(2)托盘上放有质量为,m,的物体时,P,1,离,A,的距离,x,2,.,(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点,其方法是：调节,P,2,使,P,2,离,A,的距离也为,x,1,从而使,P,1,、,P,2,间的电压为零.校准零点后,将物体,m,放在托盘上,试推导出物体质量,m,与,P,1,、,P,2,间的电压,U,之间的函数关系式.,解析,(1)弹簧处于原长时,P,1,刚好指着,A,端,在托盘自身重力作用下(托盘自身质量为,m,0,),P,1,离,A,的距离为,x,1,由力学平衡知识得,m,0,g,=,k,x,1,解得,x,1,=,(2)由受力分析可知:,m,0,g,+,mg,=,k,x,2,解得,x,2,=,(3)当托盘上放有质量为,m,的物体时,P,1,离,P,2,的距离为,x,2,-,x,1,=,滑动变阻器与电源组成的电路中电流恒定,电源内阻不计,由闭合电路欧姆定律可知,I,= ,P,1,、,P,2,间电压,U,=,IR,12,= (,x,2,-,x,1,)=,可解得,m,=,答案,(1) (2) (3),m,=,【评分标准】,本题共12分.其中式各2分,式各1分.,【名师导析】,本题背景内容新颖、形式灵活,这是现今高考的趋势之一.有的学生因读不透材料、得不到相关的信息而坠入云里雾中.题目意在考查学生对所学知识的理解能力、对实际问题的分析和判断能力、对图象信息的提取和加工能力.,自我批阅,(18分)用如图10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合成的压力传感器,用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg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,的示数均为10 N.(,g,取10 m/s,2,),(1)若传感器,a,的示数为14 N,b,的示数为6.0 N,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.,图10,解析,传感器上所显示出力的大小,即弹簧对传感器的压力,据牛顿第三定律知,此即为弹簧上的弹力大小,亦即该弹簧对滑块的弹力大小.,(1)如右图所示,依题意：左侧弹簧对,滑块向右的推力,F,1,=14 N,右侧弹簧对,滑块的向左的推力,F,2,=6.0 N.(3分),滑块所受合力产生加速度,a,1,根据牛顿第二定律有,F,1,-,F,2,=,ma,1,(3分),得,a,1,= m/s,2,=4 m/s,2,(2分),a,1,与,F,1,同方向,即向前(向右).(2分),(2),a,传感器的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力,F,1,=0,因两弹簧相同,左弹簧伸长多少,右弹簧就缩短多少,所以右弹簧的弹力变为,F,2,=20 N.(3分),滑块所受合力产生加速度,由牛顿第二定律得,F,合,=,F,2,=,ma,2,(3,分,),得,a,2,= =-10 m/s,2,负号表示方向向后(向左).(2分),答案,(1)4 m/s,2,向右 (2)10 m/s,2,向左,能力提升,1.关于传感器的下列说法正确的是(),A.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的,B.金属材料也可以制成传感器,C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的,D.以上说法都不正确,解析,半导体材料可以制成传感器,其他材料也可以制成传感器,如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计,所以A错,B正确,传感器不但能感知电压的变化,还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量,所以C错.,B,2.下列说法中正确的是(),A.话筒是一种常用的声音传感器,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,这种传感器的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,解析,话筒是将声信号转换为电信号,A错误.半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高,它的电阻值越小,D错误.,BC,3.在如图11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,图11,解析,触头,P,左移,使其电阻减小,流过二极管的电流增大,从而发光增强,使光敏电阻,R,减小,最终达到增大流过灯泡电流的效果.,答案,A,4.图12是霍尔元件的工作原理示意,图,如果用,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,如果保持电流,I,恒定,则,可以验证,U,H,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,时,U,H,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,U,H,将发生变化,图12,解析,根据公式,U,H,=,k,可以看出,当磁极靠近霍尔元件的工作面时,B,增大,U,H,将变大;在地球两极附近,可以认为地磁场与水平面垂直,霍尔元件的工作面保持水平,故B答案正确.而在赤道上,地磁与水平面平行.若霍尔元件的工作面保持水平,则无电压产生,C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,相当于改变了霍尔系数,k,故,U,H,将发生变化,故D正确,.,答案,ABD,5.如图13所示,是一个测定液体高度的传感器,在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放在导电液中,导线芯和导电液构成电容器的两极,把这两极接入外电路,当外电路中的电流变化使电容值增大时,则导电液体深度,h,变化为(),A.,h,增大B.,h,减小,C.,h,不变D.无法确定,图13,解析,由题意知,导线芯和导电液体构成电容器的两极,类似于平行板电容器的两极,当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化,会引起电容的变化,与平行板电容器类比可得,导电液体深度,h,增大时,导线芯和导电液体正对面积增大,电容器的电容值变大.,答案,A,6.如图14所示,动圈式话筒能够将声音转变为微弱的电信号(交变电流),产生的电信号一般都不是直接送给扩音机,而是经过一只变压器之后再送给扩音机放大,变压器的作用是减少电信号沿导线传输过程中的电能损失,关于话筒内的这只变压器,下列说法中正确的是(),图14,A.一定是升压变压器,因为,P,=,UI,升压后,电流减小,导线上损失的电能减少,B.一定不是升压变压器,因为,P,= ,升压后,导线上损失的电能会增加,C.一定是降压变压器,因为,I,2,= ,降压后,电流增大,使到达扩音机的信号加强,D.一定不是降压变压器,因为,P,=,I,2,R,降压后,电流增大,导线上损失的电能会增加,解析,升压变压器能使电流变小,再根据,P,=,I,2,R,减小的,电流在导线上传播时减小电能损失.,答案,AD,7.把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源按如图15甲所示电路连接,制成光电报警装置.当报警器有光照射时,蜂鸣器发声,当没有光照或者光照很弱时,蜂鸣器不发声.光敏电阻:光敏电阻受光照后,阻值会变小.干簧管继电器开关:由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成,如图乙所示.当线圈中有一定的电流时,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态.当线圈中没有电流或者电流很微弱时,磁场消失,簧片在弹力的作用下回复到分离状态.试说明光电报警器的工作原理.,答案,当报警器有光照射时,光敏电阻阻值减小,电路中电流增大,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态,蜂鸣器电路接通,蜂鸣器发声.反之,当没有光照射或光照很微弱时,光敏电阻阻值很大,电路中的电流很小,干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态,连接蜂鸣器的电路断开,蜂鸣器不发声.,图15,反思总结,