人教版高考物理专题知识讲解 传感器及其应用.docx
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人教版高考物理专题知识讲解传感器及其应用
物理总复习:
传感器及其应用
【考纲要求】
1、知道常用的几种传感器
2、理解常用的几种传感器的基本工作原理
3、知道求解传感器问题的思路
4、知道传感器的一般应用模式
5、知道简单的逻辑电路
【知识网络】
【考点梳理】
考点一、传感器
要点诠释:
1、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、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断,把非电学量转换成电学量以后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
2、制作传感器的敏感元件
(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,导电性变好。
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。
(2)热敏电阻和金属热电阻
①热敏电阻:
指用半导体材料制成,其阻值随温度变化发生明显变化的电阻。
如图为某热敏电阻的阻值——温度特性曲线。
②金属热电阻:
有些金属的电阻率随温度的升高而增加,这样的电阻也可以制作温度传感器。
热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换成电学量(电阻),但热敏电阻的灵敏度较好。
热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小,对正温度系数的热敏电阻(PTC)其阻值随温度的升高而增大,而负温度系数的热敏电阻其阻值随温度的升高而减小。
(3)电容式位移传感器
能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
(4)霍尔元件
把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量,产生的电压称为霍尔电压,式中的d为薄片的厚度,k为霍尔系数,与薄片的材料有关。
3、关于传感器的分类
序号
分类方法
传感器的种类
说明
1
按输入量分类
位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等
传感器以被测物理量命名
2
按工作原理分类
应变式、电容式、电感式、热电式、电压式
传感器以工作原理命名
3
按物理现象分类
结构型传感器
传感器依赖其结构参数的变化实现信息转换
特性型传感器
传感器依赖其敏感元件物理特征的变化实现信息转换
4
按能量关系分类
能量转换型传感器
传感器直接将被测量的能量转换为输出的能量
能量控制型传感器
由外部供给传感器能量,而由被测量来控制输出的能量
5
按输出信号分类
模拟式传感器
输出为模拟量
数字式传感器
输出为数字量
4、如何求解传感器问题
传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强、能力要求高等特点,而传感器的形式又多种多样,有的原理甚至较难理解。
但不管怎样,搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键。
因此,求解时必须结合题目提供的所有信息,认真分析传感器所在的电路结构,这样才能对题目的要求作出解释或回答。
另外,平时多应注意实际生产、生活中的一些实例,多一些思考,多动一下手,多查一下资料,开阔自己的视野,丰富自己的经验,做到学以致用、活学活用的目的。
5、传感器的一般应用模式
传感器是将所感受到的物理量(如力、热、光等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。
其工作过程是:
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,一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成,如图所示。
例如,许多食品加工设备(如电烤箱)都要控制在一定的温度范围内工作,可使食品味道鲜美且不失养分,如图所示的控制电路,开始工作时,温度较低,阻值较小,继电器吸合,A与C接通,电热丝L通电加热,达到一定温度时,电阻增大,继电器放开,A与B接通,灯亮铃响,停止加热,温度降低到某一值时,继电器又吸合,A与C接通,又开始加热……如此反复,维持在一定的温度范围(~)内。
空调、电冰箱就是利用这一原理维持在一定温度范围内的。
再例如,如图所示是利用光敏电阻自动计数的示意图,其中A是发光仪器,B是接收光信号的仪器,B中的主要元件是光电传感器——光敏电阻。
当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变小,供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射向B的信号时,光敏电阻的电阻变大,供给信号处理系统的电压变高。
这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理,就会自动将其转化为相应的数字,实现自动计数的功能。
考点二、传感器的应用
要点诠释:
1、力传感器的应用——电子秤
(1)力传感器
我们经常见到的电子秤所使用的测力装置是力传感器,常用的一种力传感器是由金属架和应变片组成的,应变片是一种敏感元件,现在大多用半导体材料制成。
(2)工作原理
如图所示,弹性钢制成的梁形元件上、下表面各贴一个应变片,在梁的自由端施加F,则梁发生弯曲,上表面拉伸而使电阻增大,下表面压缩而使电阻减小,如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上、下应变片两端产生了一个电压差,传感器把这个电压差值输出,外力越大,输出的电压差值也就越大。
2、声传感器的应用――话筒
(1)话筒
话筒是一种常用的声传感器,类型虽多,但其作用都是将声信号转换为电信号。
常见类型有:
动圈式话筒、电容式话筒、驻极体话筒。
(2)电容式话筒的工作原理
如图所示,金属膜片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。
(3)动圈式话筒的工作原理
如图所示是动圈式话筒的构造原理图,它是利用电磁感应现象制成的。
当声波使金属膜片振动时,连接在膜片上的线圈(叫做音圈)随着一起振动。
音圈在永磁铁的磁场里振动,其中就产生感应电流(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。
3、温度传感器的应用
温度传感器一般由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻制成。
它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。
(1)电熨斗
如图所示,内部装有双金属片温度传感器,双金属片的上部金属膨胀系数大,下部金属膨胀系数小,则双金属片受热向下弯曲,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,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的作用。
(2)电饭锅
主要元件是感温铁氧体,常温下具有铁磁性,能够被磁体吸引,接通电源,但是当上升到约103℃的“居里温度”时,就失去了铁磁性,不能被磁体吸引了,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源从而停止加热。
(3)测温仪
测温仪可以把温度转换成电信号,由指针式仪表或数字式仪表显示出来,由于电信号可以由测温地点传输到其他地方,所以应用温度传感器可以远距离读取温度的数值。
测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线、敏感元件等。
4、光传感器的应用
(1)机械式鼠标
鼠标器移动时,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两个方向的脉冲信号,处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
(2)火灾报警器
如图为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器,其工作原理是:
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。
考点三、简单的逻辑电路
一、简单的逻辑电路
要点诠释:
1.“与”门电路
(1)“与”逻辑关系:
有两个(或多个)控制条件作用会产生一个结果,当两个(或多个)条件都满足时,结果才会成立,这种关系称为“与”逻辑关系。
(2)“与”门电路:
满足“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路。
(3)“与”门的逻辑符号:
见图。
(4)“与”门反映的逻辑关系:
Y=A×B。
“与”门的真值表可由此关系填写。
(5)“与”门电路的特点:
当输入都为“0”时,输出为“0”;当一个输入为“0”,另一个输入为“1”时,输出为“0”;当输入都为“1”时,输出为“1”。
2.“或”门电路
(1)“或”逻辑关系:
在几个控制条件中,只要有一个条件得到满足,结果就会发生这种关系称为“或”逻辑关系。
(2)“或”门电路:
满足“或”逻辑关系的电路称为“或”门电路。
(3)“或”门的逻辑符号:
见图。
(4)“或”门反映的逻辑关系:
Y=A+B。
“或”门的真值表可由此关系填写。
(5)“或”门电路的特点:
当输入都为“0”时,输出为“0”;当一个输入为“0”,另一个输入为“1”时,输出为“1”;当输入都为“1”时,输出为“1”。
3.“非”门电路
(1)“非”逻辑关系:
输出状态和输入状态成相反的逻辑关系,叫做“非”逻辑。
(2)“非”门电路:
满足“非”逻辑关系的电路称为“非”门电路。
(3)“非”门的逻辑符号:
见图。
(4)“非”门反映的逻辑关系:
,表示Y与A状态相反.“非”门真值表可由此关系填写。
(5)“非”门电路的特点:
当输入为“0”时,输出为“1”;当输入为“1”时,输出为“0”;“非”门的逻辑符号的“0”表示反相(又叫反相圈)。
二、斯密特触发器
如图所示,这种“非”门由于性能特别,称为斯密特触发器.当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25V),而当输入端A的电压下降到另一个值(0.8V)的时候,Y会从低电平跳到高电平(3.4V)。
斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号,而这正是进行光控所需要的。
(1)斯密特触发器是一种“非”门,当输入端电压上升(下降)到某值时,输出端电压会从高电平跳到低电平(低电平跳到高电平)。
(2)斯密特触发器一般应用于光控开关或温度报警器,电路中有一光敏电阻或热敏电阻用于改变输入端电压。
三、对逻辑关系的理解
1.对“与”逻辑关系的理解
(1)生活中的“与”逻辑关系:
某单位财务室为了安全,规定不准一个人(甲或乙)单独进入。
为此,在门上安装了两把锁。
只有甲与乙两个人同时打开各自的锁时,门才打开。
它体现了“与”逻辑关系。
(2)“与”逻辑电路 (3)“与”门的真值表
2.对“或”逻辑关系的理解
(1)生活中的“或”逻辑关系:
某寝室的4名同学每人都配了一把门钥匙,各人都可以用自己的钥匙单独开门,它体现了“或”逻辑关系。
(2)“或”逻辑电路 (3)“或”门的真值表
3.对“非”逻辑关系的理解
(1)“非”逻辑电路
(2)“非”门的真值表
四、逻辑电路与传感器的应用举例
1.光控开关
如图是光控电路的工作原理示意图。
白天,光照强度较大,光敏电阻电阻值较小,加在斯密特触发器A端的电压较低,则输出端Y输出高电平,发光二极管LED不导通,当天色暗到一定程度时,的阻值增大到一定值,斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值(1.6V),输出端Y突然从高电平跳到低电平(0.25V),则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了),这样就达到了使路灯天明熄灭,天暗自动开启的目的。
要想在天更暗时路灯才会亮,应该把的阻值调大些,这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值(如1.6V),就需要的阻值达到更大,即天色更暗。
2.温度报警器
电路原理图如图所示,常温下,调整的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平,则输出端Y处于高电平,无电流通过蜂鸣
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