傳感器 優(yōu)秀公開課

第六章傳感器[基本概念與基本規(guī)律]一、傳感器及其工作原理1、傳感器：傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。把非電學量轉(zhuǎn)換為電學量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。2、傳感器一般由敏感元件和輸出部分組成，通過敏感元件獲取外界信息并轉(zhuǎn)換為電信號，通過輸出部分輸出，然后經(jīng)控制器分析處理。常見的傳感器有：力傳感器、氣敏傳感器、超聲波傳感器、超聲波傳感器、磁敏傳感器常見傳感器元件：（1）光敏電阻：光敏電阻的材料是一種半導體，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性能變好，光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。它就象人的眼睛，可以看到光線的強弱。（2）金屬熱電阻和熱敏電阻：金屬熱電阻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。它能用把溫度這個熱學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量。熱敏電阻的電阻率則可以隨溫度的升高而升高或降低。與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。（3）電容式位移傳感器能夠把物體的位移這個力學量轉(zhuǎn)換為電容這個電學量。拓展：分析下列傳感器的工作原理：４、霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量如圖，霍爾元件是在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上，制作4個電極E、F、M、N而成。若在E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的勻強磁場B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使M、N間出現(xiàn)電壓UH。這個電壓叫霍爾電壓，其決定式為。式中為薄片的厚度，為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關推導：二、傳感器的應用實例1、力傳感器的應用-----電子秤（1）電子秤理有應變片、電壓放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器微處理器和數(shù)字顯示器等器件.電阻應變片受到力的作用時,它的阻值會發(fā)生變化,把應變片放在合適的電路中,他能夠把物體物體的形變這個力學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量,因而電子秤是力傳感器的應用.（2）工作原理:如圖所示,彈簧鋼制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各貼一個應變片,在梁的自由端施力F,則梁發(fā)生彎曲,上表面拉伸,下表面壓縮,上表面應變片的電阻變大，下表面應變片的電阻變小。F越大,彎曲形變越大,應變片的阻值變化就越大.如果讓應變片中通過的電流保持恒定,那末上面應變片兩端的電壓變大,下面應變片兩端的電壓變小.傳感器把這兩個電壓的差值輸出.外力越大,輸出的電壓差值也就越大。2、聲傳感器的應用----話筒（1）話筒是一種常用的聲傳感器,其作用是把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號.話筒分為動圈式話筒，電容式話筒，駐極體話筒等幾種.（2）電容式話筒:原理:是絕緣支架,薄金屬膜和固定電極形成一個電容器,被直流電源充電.當聲波使膜片振動時,電容發(fā)生變化,電路中形成變化的電流,于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓.（3）駐極體話筒:它的特點是體積小,重量輕，價格便宜，靈敏度高.其工作原理同電容式話筒,只是其內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑料薄膜.3、溫度傳感器的應用-----電熨斗（1）在電熨斗中,裝有雙金屬片溫度傳感器,其作用是控制電路的通斷,當溫度發(fā)生變化時,雙金屬片的膨脹系數(shù)不同,從而能控制電路的通斷（2）電熨斗的自動控溫原理:常溫下,上、下觸點是接觸的,但溫度過高時,由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同,上部金屬膨脹大,下部金屬膨脹小,則雙金屬片向下彎曲,使觸點分離,從而切斷電源,停止加熱.溫度降低后,雙金屬片恢復原狀,重新接通電源,從而保持溫度不變.4、溫度傳感器的應用——電飯鍋（1）電飯鍋中的溫度傳感器主要元件是感溫鐵氧體，它的特點是：常溫下具有鐵磁性，能夠被磁鐵吸引，但是上升到約103℃時，就失去了磁性，不能被磁體吸引了。這個溫度在物理學中稱為該材料的“居里溫度”或“居里點”（2）感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅、氧化鐵粉末混合燒制而成的。5、溫度傳感器的應用——測溫儀（1）溫度傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)換成電信號，由指針式儀表或數(shù)字式儀表顯示出來。（2）測溫儀中的測溫元件可以是熱敏電阻、金屬熱電阻、熱電偶等，還可以是紅外線敏感元件等。6、光傳感器的應用——鼠標器、火災報警器（1）機械式鼠標器內(nèi)的碼盤兩側(cè)分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接受管，兩個紅外接受管就是兩個光傳感器。（2）有的火災報警器是利用煙霧對光的散射來工作的，其帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板。平時光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。煙霧進入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小。與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報。7、普通二極管和發(fā)光二極管

（1）二極管具有單向?qū)щ娦?。?）發(fā)光二極管除了具有單向?qū)щ娦酝猓瑢щ姇r還能發(fā)光。普通的發(fā)光二極管是用磷化鎵和磷砷化鎵等半導體材料制成，直接將電能轉(zhuǎn)化為光能。該類發(fā)光二極管的正向?qū)妷捍笥?8、晶體三極管（1）晶體三極管能夠把微弱的信號放大。晶體三極管的三極分別為發(fā)射極e.基極b和集電極c.（2）傳感器輸出的電流或電壓很微弱，用一個三極管可以放大幾十倍以至上百倍。三極管的放大作用表現(xiàn)為基極b的電流對電極c的電流起了控制作用。9、邏輯電路（1）對于與門電路，只要一個輸入端輸入為“0”，則輸出端一定是“０”；反之，只有當所有輸入都同時為“1”，輸出才是“１”。

（2）對于或門電路，只要有一個輸入“1”，則輸出一定是“１”；反之，只有當所有輸入都同時為“0”時，輸出才是“０”。（3）非門電路中，當輸入為“０”時，輸出總是“1”；當輸入為“１”時，輸出反而是“0（4）斯密特觸發(fā)器是具有特殊功能的非門?！镜湫屠}】例1、如圖所示，將萬用表的選擇開關置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與一熱敏電阻Rt的兩端相連，這時表針恰好指在刻度盤的正中間。若往Rt上擦一些酒精，表針將向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移動；若用吹風機將熱風吹向電阻，表針將向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移動。分析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻Rt溫度降低，電阻值增大，所以電流減小，指針應向左偏；用吹風機將熱風吹向電阻，電阻Rt溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏。＿左＿＿右＿＿例2、動圈式話筒和磁帶錄音機都應用了電磁感應現(xiàn)象,圖甲所式是話筒原理,圖乙所式是錄音機的錄音、放音原理圖,由圖可知：=1\*GB3①話筒工作時錄音磁鐵不動,線圈振動而產(chǎn)生感應電流.=2\*GB3②錄音機放音時變化的磁場在靜止的線圈里產(chǎn)生感應電流=3\*GB3③錄音機放音時線圈中變化了的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場=4\*GB3④錄音機錄音時線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場其中正確的是：A．②③④B．①②③C．①②④D．①③④乙甲乙甲解析:話筒的工作原理是,聲波迫使金屬線圈在磁鐵產(chǎn)生的磁場中振動產(chǎn)生感應電流.①正確,錄音時,話筒產(chǎn)生的感應電流經(jīng)放大電路放大后在錄音機磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場,④正確,磁帶在放音時通過變化的磁場使放音磁頭產(chǎn)生感應電流,經(jīng)放大電路后再送到揚聲器中,②正確答案:C例3、設計制作一個溫度自動控制裝置(溫控報警器):自己設計一個有熱敏電阻作為傳感器的簡單自動控制試驗.在圖中畫出設計電路,并進行連接解析:將由熱敏電阻為主要元件的溫控電路接入左側(cè)接線柱,報警器接右側(cè)接線柱.例4、電飯煲的工作原理如圖所示，可分為兩部分，即控制部分：由S1、S2、、R1和黃燈組成，工作（加熱）部分；有發(fā)熱電阻R3、、R2和紅燈組成，S1是一個磁鋼限溫開關，手動閉合，當此開關的溫度達到居里點（103℃）時，自動斷開，且不能自動復位，S2是一個雙金屬片自動開關，當溫度達到70℃—80℃時，自動斷開，低于70℃時，自動閉合，紅燈、黃燈是指示燈，通過其電流必須較小，所以R1、、R2起＿＿＿作用，R3是發(fā)熱電阻，由于煮飯前溫度低于70℃，所以S2是＿＿＿（填斷開或閉合）。接通電源并按下S1后，黃燈熄而紅燈亮，R3發(fā)熱，當溫度達到70℃—80℃時，S2斷開，當溫度達到103℃時飯熟，S1斷開，，當溫度降到70℃以下時，S2閉合，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由以上描述可知R解析：R1、、R2起的作用是限流，防止指示燈因電流過大而燒毀，S2是自動控溫開關，當溫度低于70℃時自動閉合，當溫度高于70℃—80℃時又自動斷開，使電飯煲處于保溫狀態(tài)，由于R3的功率較大，因此R2﹥R3，由于開關S1必須當溫度達到103℃時才自動斷開，而水的沸點只有100例5、如圖所示甲為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的自動恒溫箱簡圖，箱內(nèi)電阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，R1為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示。當a、b端電壓Uab＜0時，電壓鑒別器會令開關S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當Uab＞0時，電壓鑒別器使S斷開，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在＿＿＿℃。甲乙解析：設電路路端電壓為U，當Uab＝0時，有UR1／（R1﹢R2）＝UR3／（R3﹢Rt） 解得Rt＝20kΩ 由圖乙可知，當Rt＝20kΩ時，t＝35例6、如圖所示為一實驗小車中利用光電脈沖測量車速和行程的裝置示意圖，A為光源，B為光電接受器，A、B均固定在車身上，C為小車的車輪，D為與C同軸相連的齒輪。車輪轉(zhuǎn)動時，A發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號，被B接受并轉(zhuǎn)換成電信號，由電子電路記錄和顯示。若實驗顯示單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)為n，累計脈沖數(shù)為N，則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理數(shù)據(jù)是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；小車的速度表達式為v＝＿＿＿＿＿＿；行程的表達式為S＝＿＿＿＿＿＿＿。解析：小車的速度等于車輪的周長與單位時內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)的乘積，設車輪的半徑為R，單位時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)為K，則有V＝2πRK。若齒輪的齒數(shù)為P，則齒輪轉(zhuǎn)一圈電子電路顯示的脈沖數(shù)為P，已知單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)為n，所以單位時間內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)為n∕p。由于齒輪與車輪同軸相連，他們在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)動圈數(shù)相等，即k＝n∕p由以上可得V＝2πR∕p。同理，設車輪轉(zhuǎn)動的累計圈數(shù)為k，則有S＝2πRK，且k＝N∕p所以S＝2πRN∕p。可見，要測出小車的速度和行程，除單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)n和累計脈沖數(shù)N外，還必須測出車輪半徑R和齒輪的齒數(shù)例7、如圖所示的光控電路，用二極管LED模仿路燈，RG為光敏電阻，R1的最大電阻為,R2為，試分析其工作原理。解析：白天，光強度較大，光敏電阻ＲG電阻值較小，加在斯密特觸發(fā)器Ａ端的電壓較低，則輸出端Ｙ輸出高電平，發(fā)光二極管LED不導通；當天色暗到一定程度時，ＲG的阻值增大到一定值，斯密特觸發(fā)器的輸入端Ａ的電壓上升到某個值，輸出端Ｙ突然從高電平跳到低電平，則發(fā)光二極管LED導通發(fā)光(相當于路燈亮了)，這樣就達到了使路燈天明熄滅，天暗自動開啟的目的。拓展：要使路燈在天更暗時才會亮，應該怎樣調(diào)節(jié)R1的阻值？并說明原理解析：要使在天更暗時路燈才會亮，應該把Ｒ1的阻值調(diào)大些，這樣要使斯密特觸發(fā)器的輸入端Ａ電壓達到某個值（如），就需要ＲG的阻值達到更大，即天色更暗。例8、溫度報警器電路如圖所示，請說明其工作原理。解析：常溫下，調(diào)整Ｒ1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端Ａ處于低電平，則輸出端Ｙ處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當溫度高時，熱敏電阻ＲT阻值減小,斯密特觸發(fā)器輸入端Ａ電勢升高，當達到某一值(高電平)，其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報警聲，Ｒ1的阻值不同，則報警溫度不同。拓展：要使例題中的熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警，應怎樣調(diào)節(jié)Ｒ1的阻值？并說明原理。要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警，應減?。?的阻值，Ｒ1阻值越小，要使斯密特觸發(fā)器輸入端達到高電平，則熱敏電阻阻值要求越小，即溫度越高。第一講傳感器班級__________姓名___________1、下列器件不是應用溫度傳感器的是（B）A、電熨斗B、話筒C、電飯鍋D、測溫儀2、如圖所示，R1為定值電阻，R2為熱敏電阻，L為小燈泡，當溫度降低時（C）R1兩端的電壓增大電流表的示數(shù)增大小燈泡的亮度變強小燈泡的亮度變?nèi)?、如圖所示，R3是光敏電阻，當開關Ｓ閉合后在沒有光照射時，a、b兩點等電勢，當用光照射電阻R3時，則（A）Ａ、R3的電阻變小，a點電勢高于b點電勢Ｂ、R3的電阻變小，a點電勢低于b點電勢Ｃ、R3的電阻變小，a點電勢等于b點電勢Ｄ、R3的電阻變大，a點電勢低于b點電勢4、圖是霍爾元件的工作原理示意圖，用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況。以下說法中正確的是（ABD）A、將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大B、在測定地球兩極的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平C、在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平D、改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化5、關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是（BD）A、應變片是由導體材料制成B、當應變片的表面拉伸時,其電阻變大,反之變小C、傳感器輸出的是應變片上的電壓D、外力越大,輸出的電壓差值也越大6、電容式話筒的保真度比動圈式話筒好,其工作原理如圖所示,Q是絕緣支架,M是薄金屬膜和固定電極N形成一個電容器,被直流電源充電,當聲波使膜片振動時,電容發(fā)生變化,電路中形成變化的電流,當膜片向右運動的過程中有（AC）A、電容變大B、電容變小C、導線AB中有向左的電流D、導線AB中有向右的電流7、在家用電熱滅蚊器中,電熱部分主要元件是PTC元件,PTC元件是由鈦酸鈉等半導體材料制成的電阻器,其電阻率ρ隨溫度t的變化關系如圖所示,由于這種特性,PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能,對此,以下判斷正確的是（D）①通電后,其電功率先增大,后減?、谕姾?其電功率先減小,后增大③當其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時,溫度保持在t1不變④當其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時,溫度保持在t1和t2之間的某一值不變A、①③B、②③C、②④D、①④8、唱卡拉OK用的話筒,內(nèi)有傳感器,其中有一種是動圈式的,它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈,線圈處于永磁體的磁場中,當聲波使膜片前后振動時,就將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?下列說法正確的是(B)A、該傳感器是根據(jù)電流的磁效應工作的B、該傳感器是根據(jù)電磁感應原理工作的C、膜片振動時,穿過金屬線圈的磁通量不變D、膜片振動時,金屬線圈中不會產(chǎn)生感應電動9、圖中電容式話筒右測固定不動的金屬板b與能在聲波驅(qū)動下沿水平方向振動的渡上金屬層的振動膜a構(gòu)成一個電容器，a、b分別通過導線與恒定電源兩極相接。聲源s做位移X=Asin(200πt)的振動，則有（BD）A、a振動過程中a、b板之間的電場強度不變B、a振動過程中話筒會產(chǎn)生電磁波Ｃ、導線ac的電流的頻率為1000HzＤ、a向右位移最大時a、b板形成的電流最大10、如圖是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動膜前面渡有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發(fā)生變化，導致話筒所在的電路中的其他量發(fā)生變化，使聲音信號被話筒轉(zhuǎn)化電信號，其中導致電容變化的原因可能是電容兩極板間的（A）A、距離變化B、正對面積變化C、介質(zhì)變化D、電壓變化11、用遙控器調(diào)換電視頻道的過程，實際上就是傳感器把光信號轉(zhuǎn)化成電信號的過程，下列屬于這類傳感器的是（A）A、紅外報警裝置B、走廊照明燈的聲控裝置C、自動洗衣機中的壓力傳感裝置D、電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器12、隨著人們生活質(zhì)量的提高，自動干手機已進入家庭洗手間，當人將濕手靠近干手機時，機內(nèi)的傳感器便驅(qū)動電熱器加熱，于是有熱空氣從機內(nèi)噴出，將濕手烘干，手靠近干手機能使傳感器工作，這是因為（A）Ａ、改變了濕度Ｂ、改變了溫度Ｃ、改變了磁場Ｄ、改變了電容13、如圖是電熨斗溫度自動控制裝置.常溫時,上、下觸點應是分離,還是接觸?雙金屬片溫度升高時,那一層形變大?假設原來溫度上升到800C時,斷開電源,現(xiàn)在要求解析：(1).常溫時,上下觸點接觸,使電路接通,電熱絲工作.(2).雙金屬片的上面一層形變大.(3).應向上調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕,雙金屬片受熱時,易使觸點分離.14、某學生為了測量一物體的質(zhì)量,找到一個力電轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器的輸