傳感器的原理及應(yīng)用課件

一、傳感器的工作原理1.概念:能夠感受外界信息,并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成

的器件或裝置,叫傳感器.2.組成:一般由

、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成.3.原理:通過(guò)對(duì)某一物理量敏感的元件,將感受到的物理量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量.例如,光電傳感器利用

將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào);熱電傳感器利用

將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).傳感器的原理及應(yīng)用考點(diǎn)自清電信號(hào)敏感元件光敏電阻熱敏電阻4.流程:5.類別:最簡(jiǎn)單的傳感器由一個(gè)敏感元件(兼轉(zhuǎn)換器)組成,它感受被測(cè)量時(shí),直接輸出電學(xué)量,如熱電偶.有的傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換器件組成,設(shè)有轉(zhuǎn)換電路,如光電池、光電管等;有的傳感器,轉(zhuǎn)換電路不止一個(gè),要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換.6.傳感器的分類:目前對(duì)傳感器尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的分類方法,常用的分類方法有兩個(gè): (1)按

分類,如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度等非電學(xué)量時(shí),相應(yīng)的傳感器稱為

傳感器、

傳感器、

傳感器、速度傳感器、加速度傳感器. (2)按傳感器的

分類,可分為

傳感器、

傳感器、電感傳感器、電壓傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、光柵傳感器等.7.傳感器的元件:制作傳感器時(shí)經(jīng)常使用的元件有光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、霍爾元件等.輸入量溫度壓力位移工作原理電阻電容3.溫度傳感器:①敏感元件:熱敏電阻和

; ②應(yīng)用:電熨斗、電飯鍋、測(cè)溫儀、溫度報(bào)警器.4.光傳感器:①敏感元件:光敏電阻、光電管、光電二極管、光電三極管等;②應(yīng)用:鼠標(biāo)、火災(zāi)報(bào)警器、光控開(kāi)關(guān).金屬熱電阻熱點(diǎn)一傳感器的元件1.光敏電阻:光敏電阻能把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量. (1)特性:光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生變化.光照增強(qiáng),電阻變小;光照減弱,電阻增大. (2)工作原理:光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的,硫化鎘在無(wú)光時(shí),載流子(導(dǎo)電電荷)極少,導(dǎo)電性能不好;隨著光照的增強(qiáng),載流子也增多,導(dǎo)電性能變好.熱點(diǎn)聚焦2.熱敏電阻和金屬熱電阻:熱敏電阻或金屬熱電阻能把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量. (1)特性:金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,用金屬絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻.有些半導(dǎo)體,電阻率隨溫度的變化非常明顯;溫度上升時(shí),有些半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng). (2)電阻——溫度特性曲線(如圖1所示)

a金屬導(dǎo)線;b熱敏電阻.圖1(2)工作原理:外部磁場(chǎng)使運(yùn)動(dòng)的載流子受到洛倫茲力,在導(dǎo)體板的一側(cè)聚集,在導(dǎo)體板的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的另一種電荷,從而形成橫向電場(chǎng);橫向電場(chǎng)對(duì)電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力.當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí),導(dǎo)體板左右兩側(cè)會(huì)形成穩(wěn)定的電壓.圖2熱點(diǎn)二常用的電容式傳感器1.角度的電容式傳感器,原理是當(dāng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)片時(shí),電容器兩個(gè)彼此絕緣的金屬板的正對(duì)面積發(fā)生變化,從而引起電容發(fā)生變化.如圖3甲所示.圖32.液體的電容式傳感器,原理是導(dǎo)電液體相當(dāng)于電容器的一個(gè)極板,當(dāng)液體的深度發(fā)生變化時(shí),相當(dāng)于兩個(gè)極板的正對(duì)面積發(fā)生變化,從而電容發(fā)生變化.如圖乙所示.3.位移的電容式傳感器,原理是當(dāng)電解質(zhì)板插入兩金屬極板間不同的距離時(shí),隨著電解質(zhì)板位移的變化,電容隨之變化.如圖丙所示.4.壓力的電容式傳感器,原理是當(dāng)作用在一個(gè)電極上的壓力改變時(shí),金屬片的形狀發(fā)生變化,兩金屬板的距離發(fā)生變化,電容隨之改變.如圖丁所示.題型探究題型1傳感器的工作原理【例1】如圖5甲是某同學(xué)設(shè)計(jì)的電容式速度傳感器原理圖,其中上板為固定極板,下板為待測(cè)物體,在兩極板間電壓恒定的條件下,極板上所帶電荷量Q將隨待測(cè)物體的上下運(yùn)動(dòng)而變化.若Q隨時(shí)間t的變化關(guān)系為Q=（a、b為大于零的常數(shù)）,其圖象如圖乙所示,那么圖丙、圖丁中反映極板間場(chǎng)強(qiáng)大小E和物體速率v隨t變化的圖線可能是 （ ）圖5A.①和③ B.①和④C.②和③ D.②和④ 本題解題的關(guān)鍵點(diǎn)是(1)電容器的基本公式U=.(2)勻強(qiáng)電場(chǎng)中滿足E=.(3)根據(jù)函數(shù)確定圖象大致形狀.思路點(diǎn)撥本題以電容式速度傳感器和圖象立意命題,考查了勻強(qiáng)電場(chǎng)中的場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)差的關(guān)系、平行板電容器知識(shí)和用圖象表示物理量之間的關(guān)系等,本題難度較大.求解本題,要注意利用“Q隨時(shí)間t的變化關(guān)系Q=及其圖象乙”這一信息,然后結(jié)合電場(chǎng)相關(guān)知識(shí)導(dǎo)出圖丙、圖丁涉及的兩物理量間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,進(jìn)而判斷給定圖象的正誤.方法提煉變式練習(xí)1

如圖6所示是電飯鍋的結(jié)構(gòu),試回答下列問(wèn)題:(1)開(kāi)始煮飯時(shí)為什么要壓下開(kāi)關(guān)按鈕？手松開(kāi)后這個(gè)按鈕是否會(huì)恢復(fù)到圖示的狀態(tài)？為什么？(2)煮飯時(shí)水沸騰后鍋內(nèi)是否會(huì)大致保持一定的溫度?為什么?圖6(3)飯熟后,水分被大米吸收.鍋底的溫度會(huì)有什么變化?這時(shí)電飯鍋會(huì)自動(dòng)地發(fā)生哪些動(dòng)作?(4)如果用電飯鍋燒水,能否在水沸騰后自動(dòng)斷電?為什么?答案

(1)開(kāi)始煮飯時(shí)壓下手動(dòng)開(kāi)關(guān),使永磁體和感溫磁體吸合,以保持觸點(diǎn)接觸,接通電熱電路;手松開(kāi)后這個(gè)按鈕不會(huì)恢復(fù)到圖示狀態(tài),因?yàn)橛来朋w與感溫磁體相互吸引,彈簧的彈力不能使永磁體恢復(fù)原狀態(tài).(2)水沸騰后,鍋內(nèi)的溫度應(yīng)大致保持在100℃,因?yàn)樗姆悬c(diǎn)是100℃,此時(shí)水分未被米吸收完,鍋內(nèi)水分較充足,所以能保持一段時(shí)間.題型2溫度傳感器的應(yīng)用【例2】如圖7所示,圖甲為熱敏電阻的R—t圖象,圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個(gè)簡(jiǎn)單恒溫箱溫控電路,繼電器的電阻為100Ω.當(dāng)線圈的電流大于或等于20mA時(shí),繼電器的銜鐵被吸合.為繼電器線圈供電的電池的電動(dòng)勢(shì)E=9.0V,內(nèi)阻可以不計(jì).圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源.問(wèn):圖7(1)應(yīng)該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在

(填“A、B”端或“C、D”端).(2)如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持50℃,可變電阻R′的阻值應(yīng)調(diào)節(jié)為

Ω.思維導(dǎo)圖解析

恒溫箱內(nèi)的加熱器應(yīng)接在A、B端.當(dāng)線圈中的電流較小時(shí),繼電器的銜鐵在上方,恒溫箱的加熱器處于工作狀態(tài),恒溫箱內(nèi)溫度升高.隨著恒溫箱內(nèi)溫度升高,熱敏電阻R的阻值變小,則線圈中的電流變大,當(dāng)線圈的電流大于或等于20mA時(shí),繼電器的銜鐵被吸到下方來(lái),則恒溫箱加熱器與電源斷開(kāi),加熱器停止工作,恒溫箱內(nèi)溫度降低.隨著恒溫箱內(nèi)溫度降低,熱敏電阻R的阻值變大,則線圈中的電流變小,當(dāng)線圈的電流小于20mA時(shí),繼電器的銜鐵又被釋放到上方,則恒溫箱加熱器又開(kāi)始工作,這樣變式練習(xí)2傳感器擔(dān)負(fù)著信息的采集任務(wù),在自動(dòng)控制中發(fā)揮著重要作用,傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量(通常是電學(xué)量),例如熱敏傳感器,主要是應(yīng)用了半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻.熱敏電阻阻值隨溫度變化的圖線如圖8甲所示,圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡(jiǎn)單自動(dòng)報(bào)警器的線路圖.問(wèn):圖8(1)為了使溫度過(guò)高時(shí)報(bào)警器鈴響,c應(yīng)接在

(填a或b).(2)若使啟動(dòng)報(bào)警的溫度提高些,應(yīng)將滑動(dòng)變阻器滑片P點(diǎn)向

移動(dòng)(填左或右).(3)如果在調(diào)試報(bào)警器達(dá)最低報(bào)警溫度時(shí),無(wú)論如何調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片P都不能使報(bào)警器工作,且電路連接完好,各電路元件都能處于工作狀態(tài),則造成工作電路實(shí)際不能工作的原因可能是

.答案

(1)a(2)左(3)可能是乙圖中左邊電源電壓太低或者線圈的匝數(shù)太少或者彈簧的勁度系數(shù)太大等題型3壓力傳感器的應(yīng)用【例3】如圖9所示為某種電子秤的原理示意圖,AB為一均勻的滑動(dòng)變阻器,阻值為R,長(zhǎng)度為L(zhǎng),兩邊分別有P1、P2兩個(gè)滑動(dòng)頭,P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動(dòng),彈簧處于原長(zhǎng)時(shí),P1剛好指著A端,P1與托盤(pán)固定相連,若P1、P2間出現(xiàn)電壓時(shí),該電壓經(jīng)過(guò)放大,通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器后在顯示屏上可顯示物體重力的大小.已知彈簧的勁度系數(shù)為k,托盤(pán)自身質(zhì)量為m0,電源電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì),當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.求：(3)在托盤(pán)上未放物體時(shí)通常先校準(zhǔn)零點(diǎn),其方法是：調(diào)節(jié)P2,使P2離A的距離也為x1,從而使P1、P2間的電壓為零.校準(zhǔn)零點(diǎn)后,將物體m放在托盤(pán)上,試推導(dǎo)出物體質(zhì)量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關(guān)系式.解析

(1)彈簧處于原長(zhǎng)時(shí),P1剛好指著A端,在托盤(pán)自身重力作用下(托盤(pán)自身質(zhì)量為m0),P1離A的距離為x1,由力學(xué)平衡知識(shí)得m0g=kx1 ①解得x1= ②(2)由受力分析可知:m0g+mg=kx2 ③解得x2= ④(3)當(dāng)托盤(pán)上放有質(zhì)量為m的物體時(shí),P1離P2的距離為x2-x1= ⑤滑動(dòng)變阻器與電源組成的電路中電流恒定,電源內(nèi)阻不計(jì),由閉合電路歐姆定律可知I=⑥P1、P2間電壓U=IR12=(x2-x1)= ⑦可解得m= ⑧答案

(1)(2)(3)m=【評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)】

本題共12分.其中①③⑥⑦式各2分,②④⑤⑧式各1分.【名師導(dǎo)析】本題背景內(nèi)容新穎、形式靈活,這是現(xiàn)今高考的趨勢(shì)之一.有的學(xué)生因讀不透材料、得不到相關(guān)的信息而墜入云里霧中.題目意在考查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解能力、對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析和判斷能力、對(duì)圖象信息的提取和加工能力.自我批閱(18分)用如圖10所示的裝置可以測(cè)量汽車在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度,該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個(gè)由力敏電阻組合成的壓力傳感器,用兩根相同的輕彈簧夾著一個(gè)質(zhì)量為2.0kg的滑塊,滑塊可無(wú)摩擦滑動(dòng),兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上,其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出.現(xiàn)將裝置沿運(yùn)動(dòng)方向固定在汽車上,傳感器b在前,傳感器a在后.汽車靜止時(shí),傳感器a、b的示數(shù)均為10N.(g取10m/s2)(1)若傳感器a的示數(shù)為14N,b的示數(shù)為6.0N,求此時(shí)汽車的加速度大小和方向.(2)當(dāng)汽車以怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí),傳感器a的示數(shù)為零.圖10解析

傳感器上所顯示出力的大小,即彈簧對(duì)傳感器的壓力,據(jù)牛頓第三定律知,此即為彈簧上的彈力大小,亦即該彈簧對(duì)滑塊的彈力大小.(1)如右圖所示,依題意：左側(cè)彈簧對(duì)滑塊向右的推力F1=14N,右側(cè)彈簧對(duì)滑塊的向左的推力F2=6.0N.(3分)滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a1,根據(jù)牛頓第二定律有F1-F2=ma1 (3分)得a1= m/s2=4m/s2 (2分)a1與F1同方向,即向前(向右). (2分)(2)a傳感器的讀數(shù)恰為零,即左側(cè)彈簧的彈力F1′=0,因兩彈簧相同,左彈簧伸長(zhǎng)多少,右彈簧就縮短多少,所以右彈簧的彈力變?yōu)镕2′=20N. (3分)滑塊所受合力產(chǎn)生加速度,由牛頓第二定律得F合=F2′=ma2 (3分)得a2= =-10m/s2負(fù)號(hào)表示方向向后(向左). (2分)答案

(1)4m/s2向右(2)10m/s2向左能力提升1.關(guān)于傳感器的下列說(shuō)法正確的是 ( ) A.所有傳感器的材料都是由半導(dǎo)體材料做成的 B.金屬材料也可以制成傳感器 C.傳感器主要是通過(guò)感知電壓的變化來(lái)傳遞信號(hào)的 D.以上說(shuō)法都不正確

解析

半導(dǎo)體材料可以制成傳感器,其他材料也可以制成傳感器,如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計(jì),所以A錯(cuò),B正確,傳感器不但能感知電壓的變化,還能感受力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量,所以C錯(cuò).B2.下列說(shuō)法中正確的是 ( ) A.話筒是一種常用的聲音傳感器,其作用是將電信號(hào) 轉(zhuǎn)換為聲信號(hào) B.電熨斗能夠自動(dòng)控制溫度的原因是它裝有雙金屬 片溫度傳感器,這種傳感器的作用是控制電路的通斷 C.電子秤所使用的測(cè)力裝置是力傳感器 D.半導(dǎo)體熱敏電阻常用作溫度傳感器,因?yàn)闇囟仍礁? 它的電阻值越大

解析

話筒是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),A錯(cuò)誤.半導(dǎo)體熱敏電阻常用作溫度傳感器,因?yàn)闇囟仍礁?它的電阻值越小,D錯(cuò)誤.BC3.在如圖11所示的電路中,電源兩端 的電壓恒定,L為小燈泡,R為光敏 電阻,LED為發(fā)光二極管(電流越大, 發(fā)出的光越強(qiáng)),且R與LED相距不 變,下列說(shuō)法正確的是 ( ) A.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí),L消耗的功率增大 B.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí),L消耗的功率減小 C.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向右移動(dòng)時(shí),L消耗的功率可能不變 D.無(wú)論怎樣移動(dòng)觸頭P,L消耗的功率都不變圖11

解析

觸頭P左移,使其電阻減小,流過(guò)二極管的電流增大,從而發(fā)光增強(qiáng),使光敏電阻R減小,最終達(dá)到增大流過(guò)燈泡電流的效果.

答案

A4.圖12是霍爾元件的工作原理示意 圖,如果用d表示薄片的厚度,k為 霍爾系數(shù),對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、

k為定值,如果保持電流I恒定,則 可以驗(yàn)證UH隨B的變化情況.以下說(shuō)法中正確的是 ( ) A.將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面 時(shí),UH將變大 B.在測(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí),霍爾元件的工作面 應(yīng)保持水平 C.在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí),霍爾元件的工作 面應(yīng)保持水平 D.改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,UH將發(fā)生變化圖12

解析

根據(jù)公式UH=k可以看出,當(dāng)磁極靠近霍爾元件的工作面時(shí),B增大,UH將變大;在地球兩極附近,可以認(rèn)為地磁場(chǎng)與水平面垂直,霍爾元件的工作面保持水平,故B答案正確.而在赤道上,地磁與水平面平行.若霍爾元件的工作面保持水平,則無(wú)電壓產(chǎn)生,C錯(cuò)誤;改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角,相當(dāng)于改變了霍爾系數(shù)k,故UH將發(fā)生變化,故D正確.

答案

ABD5.如圖13所示,是一個(gè)測(cè)定液體高度的傳感器,在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì),放在導(dǎo)電液中,導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液構(gòu)成電容器的兩極,把這兩極接入外電路,當(dāng)外電路中的電流變化使電容值增大時(shí),則導(dǎo)電液體深度h變化為 ( ) A.h增大 B.h減小 C.h不變 D.無(wú)法確定圖13

解析由題意知,導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極,類似于平行板電容器的兩極,當(dāng)液面高度發(fā)生變化時(shí)相當(dāng)于兩極正對(duì)面積發(fā)生變化,會(huì)引起電容的變化,與平行板電容器類比可得,導(dǎo)電液體深度h增大時(shí),導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體正對(duì)面積增大,電容器的電容值變大.

答案

A6.如圖14所示,動(dòng)圈式話筒能夠?qū)⒙曇艮D(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)(交變電流),產(chǎn)生的電信號(hào)一般都不是直接送給擴(kuò)音機(jī),而是經(jīng)過(guò)一只變壓器之后再