学度高中创新设计物理教科版32学案第三章1传感器.docx
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学度高中创新设计物理教科版32学案第三章1传感器
2018-2019学度高中创新设计物理教科版3-2学案:
第三章1传感器
一、传感器
1.定义
把被测的非电信息,按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置.
2.结构
非电信息,
(1)敏感元件:
能直接感受非电信息,如压力、光照、温度、磁场、气体等,并将这些信息变换成易于测量的物理量,形成电信号.
(2)处理电路:
把微小电信号进行放大,并除去干扰信号,使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的电学量(如电压、电流和频率等),这类电路称为处理电路.
3.传感器的原理
传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的大多是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,一般要经过放大等处理后,再通过控制系统产生各种控制动作.
4.在分析传感器时要明确
(1)核心元件是什么;
(2)是怎样将非电学量转化为电学量的;
(3)是如何显示的或如何控制开关的.
深度思考
传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用?
例1
如图1所示是电容式话筒的示意图,它是利用电容制作的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极,在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,声音信号被话筒转换为电信号,其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的( )
图1
A.距离变化B.正对面积变化
C.介质变化D.电压变化
解析 在声音信号转换为电信号过程中介电常数没变,正对面积未变.振动膜前后振动,使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化,从而将声音信号转换为电信号,故A选项正确.
例2 传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图2中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成.
图2
压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示.设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8V,取g=10m/s2.请回答:
压力F/N
0
250
500
750
1000
1250
1500
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处.
(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20mA,则这个人的体重是________kg.
解析
(1)由题图表知,踏板空载时,压力传感器电阻R=300Ω,此时A中电流I=
=
A=1.6×10-2A.
(2)当电流I=20mA=20×10-3A时,压力传感器的电阻R=
=
Ω=240Ω,对应表格中,这个人的体重为50kg.
传感器问题的分析思路
不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化.因此,我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化.
二、敏感元件的原理
1.原理
利用物理学中能直接感受到的非电信息转换成易于测量的物理量,形成电信号.
2.敏感元件分类:
(1)物理类:
基于力、热、光、电磁和声等物理效应.
(2)化学类:
基于化学反应的原理.
(3)生物类:
基于酶、抗体和激素等分子识别功能.
3.半导体热敏电阻的热敏特性:
热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,随温度的降低而增大,根据它具有电阻随温度灵敏变化的特性,可以实现对温度的测量.
4.干簧管是一种能感知磁场的敏感元件.当磁力大于簧片的弹力时,两者紧密地接触;当磁力小于簧片的弹力时,两者分开.因此,干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关.
例3 在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天,担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用,其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件.某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中,安装好如图3所示装置.向杯内加入冷水,温度计的示数为20℃,多用电表选择适当的倍率,读出热敏电阻的阻值R1.然后向杯内加入热水,温度计的示数为60℃,发现多用电表的指针偏转角度较大,则下列说法正确的是( )
图3
A.应选用电流挡,温度升高换用大量程测量
B.应选用电流挡,温度升高换用小量程测量
C.应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率大的挡
D.应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率小的挡
解析 多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源,故不能用电流表,A、B均错;当温度升高时,多用电表指针偏转角度较大,说明热敏电阻的阻值变小了,应该换用倍率小的挡,C错误,D正确.
例4 关于干簧管,下列说法中正确的是( )
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.干簧管接入电路中相当于开关的作用
D.干簧管能够感知磁场
解析 干簧管是感知磁场的元件,接入电路中相当于开关的作用,选C、D.
1.(对传感器的理解)关于传感器,下列说法正确的是( )
A.金属材料不可以制成传感器
B.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号
C.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的
D.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的
解析 金属材料也可以制成传感器,所以A错误;动圈式话筒是通电导体在磁场中受力,变化的电流通过线圈,产生变化的磁场,其作用是将声信号转换为电信号,所以B正确;传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,所以C错误;传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料,所以D错误.故选B.
2.(热敏电阻的应用)如图4所示,由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,当闭合开关S后,小灯泡正常发光,若用酒精灯加热电阻丝时,发现小灯泡亮度变化是变暗,发生这一现象的主要原因是( )
图4
A.小灯泡的电阻发生了变化
B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D.电源的电压随温度发生了变化
解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大,电阻也增大,电路中电流减小,根据P=I2R知,小灯泡的实际功率减小,所以变暗.
3.(热敏电阻的应用)(多选)图5是测试热敏电阻R的实验电路图,滑动变阻器已调节到某一适当的值.实验中观察到当温度升高时灯更亮.对实验现象分析正确的有( )
图5
A.温度升高,电路中的电流减小
B.温度升高,电路中的电流增大
C.温度升高,热敏电阻的阻值增大
D.温度升高,热敏电阻的阻值减小
解析 当温度升高时,电路中的热敏电阻的阻值减小,由闭合电路欧姆定律可知:
电路中的电流增大,导致灯泡变亮.
4.(对传感器的理解)如图6所示是变隙电感式压力传感器的结构图.它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起.根据变隙电感式压力传感器的结构图分析其工作原理.
图6
解析 当压力进入膜盒时,膜盒的顶端在压力F的作用下产生与压力F大小成正比的位移,于是衔铁也发生移动,从而使铁芯和衔铁之间的距离发生变化,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表A的指示值反映了被测压力的大小.
题组一 传感器的概念
1.(多选)下列说法正确的是( )
A.传感器担负着信息采集的任务
B.干簧管是一种磁传感器
C.传感器不是电视遥控器的主要元件
D.传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具
解析 传感器相当于人的器官,给机器提供一些信息,A正确;根据定义知B、D正确;遥控器的主要元件是传感器,C错误.
题组二 传感器对信号的转化
2.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
解析 遥控器是利用红外线传输信号的,故A项正确.
3.传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件.如图1所示为一种电容式传感器,电路可将声音信号转化为电信号.电路中a、b构成一个电容器,b是固定不动的金属板,a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜.若声源S发出频率恒定的声波使a振动,则a在振动过程中( )
图1
A.a、b板之间的电场强度不变
B.a、b板所带的电荷量不变
C.电路中始终有方向不变的电流
D.向右位移最大时,电容器的电容最大
解析 a、b始终跟电源相连,电势差U不变,由于a、b间距离变化,由E=
知场强变化,A错误;由C=
知d变化时C变化,a向右位移最大时,电容最大,D正确;由Q=CU知a、b所带电荷量变化,电路中电流方向改变,B、C错误.
4.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开通电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干,手靠近自动干手机能使传感器工作,是因为( )
A.改变湿度B.改变温度
C.改变磁场D.改变电容
解析 根据自动干手机工作的特征,手靠近自动干手机,电热器工作,手撤离后电热器停止工作,人是一种导体,可以与其他导体构成电容器.手靠近时相当于连接一个电容器,可以确定干手机内设有电容式传感器,由于手的靠近改变了电容大小,故D正确;用湿度和温度来驱动电热器工作,理论上可行,但是假如干手机是由于温度、湿度的变化而工作就成了室内烘干机.
5.如图2是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置.其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端.在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的________两点之间,按照你的接法请回答:
当油箱中油量减少时,电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)
图2
解析 把电压表接到c、d之间,油量增加时,R减小,电路中电流增大,则R′两端的电压增大,电压表示数增大,同理,油量减少时,电压表示数减小.
题组三 敏感元件的原理
6.如图3所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时( )
图3
A.R1两端的电压增大
B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强
D.小灯泡的亮度变弱
解析 当温度降低时,电阻R2增大,外电路电阻增大,电流表示数减小,R1两端电压减小,灯L两端电压增大,灯泡亮度变强,故C正确,其余各项均错.
7.(多选)如图4所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路图.其中的运行绕组是电冰箱在工作时电动机的定子,由于交流是单相的,启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场,在启动绕组的支路中串联有一个PTC元件,这是一种以酞酸钡为主要材料的热敏电阻器,电流流过PTC元件,元件发热,它的电阻率随温度升高而发生显著变化,当电动机正常转动以后,PTC元件温度较高,电阻很大,启动绕组电流很小.以下判断正确的是( )
图4
A.电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少
B.电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少
C.电冰箱启动后,启动绕组功率不变,运行绕组功率是变化的
D.电冰箱启动后,启动绕组功率是变化的,运行绕组功率不变
解析 启动时,由于PTC元件温度低,电阻小,故耗电多,B正确;启动后,随PTC元件温度升高,PTC元件电阻增大,通过启动绕组的电流减小,故启动绕组功率是变化的,而运行绕组电压不变,故功率不变,则D正确.
8.(多选)如图5所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器.当环境温度降低时( )
图5
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
解析 当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=
知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,B正确;又由U1=IR1及P1=I2R1可知U1变小,R1消耗的功率P1变小,D错误;电容器两极板间的电压U2=U-U1,U2变大,由场强E′=
,Q=CU2可知Q、E′都增大,故A正确,C错误.
9.如图6所示连接电路.把磁铁靠近或远离干簧管,观察电路中所发生的现象.你认为干簧管起了什么作用?
图6
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- 高中 创新 设计 物理 教科版 32 第三 传感器