2017-2018学年高中物理传感器1传感器学案教科版.docx

1 传感器目标定位1.知道什么是传感器及其工作原理.2.掌握制作传感器的常用元件的特性及其应用.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？答案传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.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1A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选项正确答案A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1107Pa，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g10m/s2.请回答：压力F/N0250500750100012501500电阻R/300270240210180150120(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R300，此时A中电流IA1.6102A.(2)当电流I20mA20103A时，压力传感器的电阻R240，对应表格中，这个人的体重为50kg.答案(1)1.6102(2)50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3A.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.答案D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.答案CD1.(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答案B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4A.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答案C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PI2R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5A.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答案BD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答案见解析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答案ABD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答案A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1A.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，电容器的电容最大答案D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QCU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改变电容答案D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答案c、d减小解析把电压表接到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3A.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.小灯泡的亮度变弱答案C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4A.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，运行绕组功率不变答案BD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5A.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消耗的功率增大答案AB解析当环境温度降低时，R2变大，电路的总电