高三物理第一轮复习 传感器的工作原理及其应用 新人教版

用心 爱心 专心 1 第第 4 4 课时课时 传感器的工作原理及其应用传感器的工作原理及其应用 基础知识归纳 1 传感器及其工作原理 1 传感器的定义 有一些元件能够感受诸如力 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成电压 电流等电学量 或转换为电路的通断 我们把这种 元件叫做传感器 它的优点是 把非电学量转换为电学量以后 就可以很方便地进行测量 传输 处理和控制了 2 传感器的组成 传感器一般由敏感元件和输出部分组成 通过敏感元件获取外界信 息并转换为电信号 通过输出部分输出 然后经过控制器分析处理 3 制作传感器需要的元件 光敏电阻 当光照增强时 电阻阻值 减小 光照减弱时 电阻阻值 增大 能 够把 光照强弱 这个光学量转换成 电阻 这个电学量 热敏电阻与金属热电阻 能够把 温度 这个热学量转换为 电阻 这个电学量 热 敏电阻的阻值随温度的升高而 减小 金属热电阻的阻值随温度的升高而 增大 霍尔元件 它能够把 磁感应强度 这个磁学量转换为电压这个电学量 霍尔电压UH d kIB 其中k为霍尔系数 其大小与薄片元件的材料有 关 d为元件厚度 I为通电电流 B为加在元件上的磁感应强度 如图所 示 应变片 它能够把物体 形变 这个力学量转换为 电压 这个电学量 干簧管 它能够将 磁场 这个非电学量转换成电路的 通断 双金属片 它能将 温度 这个热学量转换成电路的 通断 2 传感器工作原理 3 传感器的应用及实例 1 力传感器的应用 电子秤 它是由 金属梁 和 应变片 组成的 应 变片是一 种敏感元件 多用 半导体 材料制成 2 声传感器的应用 话筒 它是一种常用的声传感器 其作用是将 声信号 转换 为 电信号 3 温度传感器的应用 电熨斗 它装有 双金属片温度 传感器 其作用是 控制 用心 爱心 专心 2 电路的通断 4 温度传感器的应用 电饭锅 它的主要元件是 感温铁氧体 5 温度传感器的应用 测温仪 它可以把 温度 转换成 电信号 由指针式仪 表或数字式仪表显示出来 测温仪中的测温元件可以是 热敏电阻 金属热电阻 热电偶 还可以是 红外 线敏感元件 等 6 光传感器的应用 鼠标器 火灾报警器 机械式鼠标器内的码盘两侧分别装有红 外发射管和红外接收管 两个红外管就是两个 光传感器 有的火灾报警器是利用烟雾对 光的散射来工作的 其带孔的罩子内装有 发光二极管 LED 光电三极管和不透明的挡板 7 应用实例 光控开关 和 温度报警器 重点难点突破 一 热敏电阻与金属热电阻有哪些区别 项目 电阻 导电原理电阻随温度变化优点 热敏电阻自由电子和空穴等载流子灵敏度较好 金属热电阻自由电子的定向移动 化学稳定性好 测量范 围大 二 电容式传感器的工作原理 电容器的电容决定于极板的正对面积S 极板间距d 极板间的电介质这几个因素 如果 某一物理量 如角度 位移x 深度h等 的变化能引起上述某个因素的变化 从而引起电 容的变化 通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化 有这种用途 的电容器称电容式传感器 如图所示是测量液面高度h的电容式传感器 在导线芯的外面涂上 一层绝缘物质 放入导电溶液中 导线芯和导电溶液构成电容的两个极 导线芯外面的绝缘物质就是电介质 液面高度h发生变化时 引起正对面积发生变化 使电 容C发生变化 知道电容C的变化 就可以知道液面高度h的变化情况 如图所示是用来测定角度 的电容式传感器 当动片与定片之间的角度 发生变化时 引起极板正对面积S的变化 则电容C发生变化 知道电容C的变化 就可 以知道 的变化情况 如图所示是测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候 膜 片发生形变 使极板间距离d发生变化 引起电容C的变化 知道电容C的变化 就可以知 用心 爱心 专心 3 道F的变化情况 如图所示是测定位移x的电容式传感器 随着电介质板进入极板间 的长度发生变化 电容C发生变化 知道电容C的变化 就可以知道 x的变化情况 三 斯密特触发器的工作原理及其应用 斯密特触发器的工作原理 斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路 当加在它的输入 端 A 的电压逐渐上升到某个值 1 6 V 时 输出端 Y 会突然从高电平跳到低电平 0 25 V 而当输入端 A 的电压下降到另一个值的时候 0 8 V Y 会从低电平跳到高电平 3 4 V 应用 一 光控开关 电路如右图所示 原理 白天 光强度较大 光敏电阻RG阻值较小 加在斯密特触发器输入端 A 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 RG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 1 6 V 输出端 Y 突然从高电平跳到低电 平 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自动熄灭 天 暗自动开启的目的 应用 二 温度报警器 电路如图所示 原理 常温下 调整R1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 鸣器 蜂鸣器不发声 当温度升高时 热敏电阻RT阻值减 小 斯密特触发器输入端 A 电势升高 当达到某一值 高电 平 时 其输出端由高电平跳到低电平 蜂鸣器通电 从而发出报警声 R1的阻值不同 则 报警器温度不同 典例精析 1 力电传感器与声传感器 例 1 如图所示为某种电子秤的原理示 意图 AB为一均匀的滑动电阻 阻值为R 用心 爱心 专心 4 长度为L 两边分别有P1 P2两个滑动头 P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态 而上下自由滑动 弹簧处于原长时 P1刚好指着A端 P1与托盘固定相连 若P1 P2间出现 电压时 该电压经过放大 通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小 已知弹簧的 劲度系数为k 托盘自身质量为m0 电源电动势为E 内阻不计 当地的重力加速度为g 求 1 托盘上未放物体时 在托盘自身重力作用下 P1离A的距离x1 2 托盘上放有质量为m的物体时 P1离A的距离x2 3 在托盘上未放物体时通常先校准零点 其方法是 调节P2 使P2离A的距离也为x1 从而使P1 P2间的电压为零 校准零点后 将物体m放在托盘上 试推导出物体质量m与 P1 P2间的电压U之间的函数关系式 解析 托盘的移动带动P1移动 使P1 P2间出现电势差 电势差的大小反映了托盘 向下移动距离的大小 由于R为均匀的滑线电阻 则其阻值与长度成正比 1 由力的平衡知识知 m0g kx1 解得x1 k gm0 2 放上重物重新平衡后 m0g mg kx2 解得x2 k gmm 0 3 由闭合电路的欧姆定律知 E IR 由部分电路的欧姆定律知 U IR串 又 L x R R 串 其中x为P1 P2间的距离 则x x2 x1 k mg 联立解得m gE kLU 思维提升 分析清楚力电传感器的工作原理 明确装置是如何将力这个非电学量转化 为电学量是解决该类问题的关键 拓展 1 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象 图甲是话筒原理图 图乙 是录音机的录音 放音原理图 由图可知 话 筒工作时 磁铁不动 线圈振动 而产生感应电流 录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流 用心 爱心 专心 5 录音机录音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 其中正确的是 C A B C D 解析 录音是将声音信号转变成磁信号 放音是将磁信号转变成声音信号 话筒的工 作原理是 声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流 正确 录音时 话 筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场 正确 磁带在 放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流 经放大电路后再送到扬声器中 正确 2 温度传感器的应用 例 2 如图所示是电饭煲的电路图 S1是一个控温 开关 手动闭合后 当此开关温度达到居里点 103 C 时 开关会自动断开 S2是一个自动控温开关 当温度 低于 70 C 时 会自动闭合 温度高于 80 C 时会自 动断开 红灯是加热时的指示灯 黄灯是保温时的指示灯 分流电阻R1 R2 500 加热电阻R3 50 两灯电阻不计 1 分析电饭煲的工作原理 2 计算加热和保温两种状态下 电饭煲消耗的电功率之比 3 简要回答 如果不闭合开关 S1 能将饭煮熟吗 解析 1 电饭煲装上食物后 接上电源 S2自动闭合 同时手动闭合 S1 这时R1与 黄灯被短路 红灯亮 电饭煲处于加热状态 加热到 80 C 时 S2自动断开 S1仍闭合 水烧开后 温度升高到 103 C 时 开关 S1自动断开 这时饭已经煮熟 黄灯亮 电饭煲处 于保温状态 由于散热 待温度降至 70 C 时 S2又自动闭合 电饭煲重新加热 温度达到 80 C 时 S2又自动断开 再次处于保温状态 2 加热时电饭煲消耗的电功率P1 并 R U 2 保温时电饭煲消耗的功率P2 并 RR U 1 2 两式 中R并 11 500 32 32 RR RR 从而有 1 12 1 2 1 并 并 R RR P P 3 如果不闭合开关 S1 开始 S2总是闭合的 R1与黄灯被短路 功率为P1 当温度上升 到 80 C 时 S2自动断开 功率降为P2 温度降到 70 C S2又自动闭合 温度只能在 70 80 C 之间变化 不能把水烧开 故不能将饭煮熟 用心 爱心 专心 6 思维提升 分析电饭煲的工作原理 关键的地方一是手动温控开关 S1 超过居里点会 自动断开 二是自动温控开关 S2 低于 70 C 时会自动闭合 高于 80 C 时会 自动断开 掌握了两个开关的特点 也就 会分析电饭煲的工作原理了 拓展 2 图甲为在温度为 10 C 左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图 箱内的 电阻R1 20 k R2 10 k R3 40 k Rt为热敏电阻 它的电阻随温度变化的图线如 图乙所示 当a b端电压Uab0 时 电压鉴别器使开关 S 断开 停止加热 恒温箱内的温度恒定在 35 C 解析 设电路路端电压为U 当Uab 0 时 有 t RR UR RR UR 3 3 21 1 解得Rt 20 k 由题图乙可知 当Rt 20 k 时 t 35 3 光传感器的应用 例 3 如图所示 某同学设计了一个路灯自动控制门电路 天黑了 让路灯自动接通 天亮了 让路灯自动熄灭 图中RG是光敏电阻 当有光线照射时 光敏电阻的阻值会显著减 小 R是可调电阻 起分压作用 J 为路灯总开关控制继电器 图中未画 路灯电路 1 在图中虚线框处画出接入的斯密特触发器 2 如果路灯开关自动接通时天色还比较亮 应如何调节R才能在 天色较暗时开关自动接通 说明道理 解析 1 2 R应调大些 这样在初状态 A 点电平较高 原来RG较小 I较大 R两端电压较大 天色较暗时 RG增大较多 才能使 A 点电平降低到使 Y 点电平由低到高的突变 使 J 两端电 压变大 J 导通 思维提升 搞清斯密特触发器的工作原理是解题的关键 拓展 3 型号 74LS14 的集成块里面有 6 个非门 其引脚如图所示 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 6 V 时 输出端 Y 会突然从高电平跳到低电平 0 25 V 而当输入端 A 的电压下降到另一个值的时候 0 8 V Y 会从低电平跳到高电平 3 4 V 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 而这正是进行自动控制所必需的 现用斯密特触发器与热敏电阻RT组成温度 用心 爱心 专心 7 报警器 电路如图所示 图中蜂鸣器可以选用 YMD 或 HMB 型 它两端的直流电压为 4 6 V 时会发出鸣叫声 RT为热敏电阻 常温下阻值约几百欧 温度升高时阻值减小 R1的最大电 阻可在 1 2 k 间选择 接通电源后 先调节R1使蜂鸣器在常温下不发声 再用热水使热敏电阻的温度上升 到 达某一温度时 蜂鸣器就会发出报警声 请你说明这个电路的工作原理 想一想 怎样能够使热敏电阻在感测到更高的温度时才 报警 解析 该电路的工作原理 常温下 调整R1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 无电流通过蜂鸣器 蜂鸣器不发声 当温度升高时 热敏电 阻RT阻值减小 斯密特触发器输入端 A 电势升高 当达到某一值 高电平 时 其输出端由高 电平跳到低电平 蜂鸣器通电 从而发出报警声 R1的阻值不同 报警温度不同 要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警 应减小R1的阻值 R1阻值越小 要使斯密 特触发器输入端达到高电平 则热敏电阻阻值要求越小 即温度越高 易错门诊 4 电容式传感器的应用 例 4 如图所示 有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金 属片 与 该金属片隔有一定空隙还有另一块小的固定金属片 这两块 金属片组成一个小电容器 该电容器的电容C可用公式C d S 计算 式中常量 9 10 12 F m 1 S表示金属片的正对面积 d表示两金属片间的距离