传感器及其工作原理

第六章第六章 传感器传感器 第一节第一节 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 学习目标学习目标 1 知道什么是传感器 理解各类传感器的工作原理 2 知道光敏电阻特点及作用 3 掌握热敏电阻和金属电阻的特点及区别 4 理解霍尔元件的原理及作用 5 会用得各类元件 热敏电阻 光敏电阻 霍尔元件等 设计简单的控制电路 课本导读课本导读 一 一 传感器传感器 1 干簧管结构 它只是玻璃管内封入的的两个 制成的簧片 作用 在电路中起到 的作用 它是一种能够 的传感 器 2 传感器 作用 它是能够把易感受的力 温度 光 声 化学成分等 按照一 定的规律转换为容易进行测量 传输 处理和控制的电压 电流等 或 转换为 的一类元件 分类 常见的传感器有色标传感器 温度传感器 电容式位移传 感器 电感式位移传感器等等 二 二 光敏电阻光敏电阻 1 构造及特点 光敏电阻是用 制成的 硫化镉就是一种 其特点是电阻率随光照强度的增大而 原因是 无光照射 载流子 导电性 2 作用 光敏电阻能够把 转化为 三 三 热敏电阻和金属热电阻热敏电阻和金属热电阻 1 热电阻 金属的电阻率随温度的升高而 用多金属做成的传 感器称为热电阻 其特点是 测温范围 但 较差 2 热敏电阻 半导体材料的导电能力随温度升高而 电阻率随 温度升高而 用 做成的传感器称为热敏电阻 热敏电阻 也可以用 制成 其特点是灵敏度 3 二者的作用 二者都能把 转化为 四 四 霍尔元件霍尔元件 1 构造 如图 6 1 1 所示 在很小的矩形 薄片上 制作四 个电极 就成为一个霍尔元件 2 霍尔电压 形成过程 表达式 UH 式中 d 为 k 为 其大小与 有关 3 作用 用霍尔元件能够把 转换为 典型例题典型例题 例例 1 如图 6 1 2 所示 将万用表的选择开关置于 欧姆档 再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 Rt的 两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中间 若往 Rt上擦一 些酒精 表针将向 填 左 或 右 移动 若用吹 风机将热风吹向电阻 表针将向 填 左 或 右 移 动 解析解析 若往 Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸发吸热 热敏电阻 Rt温度降低 电阻值 增大 所以电流减少 指针应该向左偏 用吹风机将热风吹向电阻 电阻 Rt温度升高 电阻值减少 电流增大 指针向右偏 答案答案 左 右 图 6 1 1 图 6 1 2 特别提示特别提示 1 热敏电阻的阻值随温度的变化而变化 阻值随温度的升高而增大 的我们称之为正温度系数热敏电阻 PTC 阻值随温度的升高而减小的我们称之为负温度 系数热敏电阻 NTC 2 欧姆表的表盘刻度最右侧为 0 最左侧为最大值 例例 2 如图 6 1 3 所示为光敏电阻自动计数器的示意图 其中 R1为光敏电阻 R2为定值电阻 此光电计数器的基本工作原理是 A 当有光照射 R1时 信号处理系统获得高电压 B 当有光照射 R1时 信号处理系统获得低电压 C 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 解析解析 当光照射到光敏电 阻 R1上时 R1电阻减小 电路 中电流增大 R2两端电压升高 信号处理系统得到高电压 计数器每由高电压转到低电压 就计一个数 从而达到自动 计数目的 由以上分析选项 A C 正确 特别提示特别提示 光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小 达标测试达标测试 1 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 传感器不是电视摇控接收器的主要元件 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 图 6 1 4 图 6 1 3 2 如图 6 1 4 为电阻 R 随温度 T 变化的图线 下列说法中正确的是 A 图线 1 是热敏电阻的图线 它是用金属材料制成的 B 图线 2 是热敏电阻的图线 它是用半导体材料制成的 C 图线 1 的材料化学稳定性好 测温范围大 灵敏度高 D 图线 2 的材料化学稳定性差 测温范围小 灵敏度高 3 用多用电表的同一档位测量热敏电阻和光敏电阻的阻值时 下列说法正确的 是 A 测热敏电阻时 温度越高 多用电表指针偏角越大 B 测热敏电阻时 温度越高 多用电表指针偏角越小 C 测光敏电阻时 光照越弱 多用电表指针偏角越大 D 测光敏电阻时 光照越弱 多用电表指针偏角越小 4 利用半导体材料可制成哪些电子元件 A 热敏电阻 B 光敏电阻 C 晶体管 D 标准电阻 5 如图 6 1 5 所示 某半导体热敏电阻的 I U 图线可能是 6 金属铂的电阻值对温度高低非常敏感 图 6 1 6 中可能表示金属铂电阻的 U I 图线是 图 6 1 5 图 6 1 6 7 下列说法正确的是 A 金属导体的电阻率随温度增加而减小 B 半导体的电阻率随温度增加而增大 C 用半导体制成的热敏电阻 可以作为测温元件 D 用半导体制成的光敏电阻 可以起到开关的作用 8 关于热敏电阻以下说法中正确的是 A 热敏电阻的阻值随温度升高而增大 B 热敏电阻的阻值随温度升高而减小 C 热敏电阻的阻值随温度变化而均匀变化 D 热敏电阻可以用金属氧化物制作 9 一般光敏电阻的阻值随入射光强度的增加而 由于它对光照较敏 感 所以可以作 传感器 10 在自动恒温装置中 某半导体材料的电阻率随温度的变化如图 6 1 7 所示 这种材料具有发热和控温双重功能 回答下列问 题 1 通电后 其电功率 A 先增大后减小 B 先减小后增大 C 一直不变 D 无法确定 1 光其产生的热量与散发的热量相等时 温度保持在 A t1 图 6 1 7 B t2 C t1至 t2的某一值上 D 大于 t2的某一值上 11 按图 6 1 8 连接好电路 合上 S 发现小灯泡不亮 原因是 用电吹风对热敏电阻吹 一会 会发现小灯泡 原因是 停止吹风 会发现 把热敏电阻放入冷水中会发现 12 试推导霍尔电压的表达式 UB kIN d 拓展提高拓展提高 思维升华思维升华 在理解材料上讲授的常见传感器工作原理的基础上 科学运用知识的正迁移 会分 析新的传感器的工作原理 分析它们如何实现把非电学量转换为电学量的 综合实践与创新综合实践与创新 1 随着生活质量的提高 自动干手机已经进入家庭 洗手后 将湿手靠近自 动干手机 机内的传感器便驱动电热器加热 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 改变了湿度 B 改变了温度 C 改变了磁场 D 改变了电容 2 2000 年全国理综 如图 6 1 9 所示 厚度为 h 宽度为 d 的导体板放在垂直 于它的磁感强度为 B 的均匀磁场中 当电流通过导体板时 在导体板的上侧面 A 和下侧 面 A 之间会产生电势差 这种现象称为霍尔效应 实验表明 当磁场不太强时 电势差 U 电流 I 和 B 的关系为 U KIB d 式中比例系数 K 称为霍尔系数 图 6 1 8 图 6 1 9 霍尔效应可解释如下 外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧 在 导体板的另一侧会出现多余的正电荷 从而形成横向电场 横向电场对电子施加与洛伦 兹力方向相反的静电力 当静电力与洛伦兹力达到平衡时 导体板上下两侧之间就会形 成稳定的电势差 设电流 I 是由电子的定向流动形成的 电子的平均定向速度为 v 电量为 e 回答 下列问题 1 达到稳定状态时 导体板上侧面 A 的电势 下侧面 A 的电势 填高于 低于或等于 2 电子所受的洛伦兹力的大小为 3 当导体板上下两侧之间的电势差为 U 时 电子所受静电力的大小 为 4 当静电力和洛伦兹力平衡的条件 证明霍尔系统为 k 1 ne 其中 n 代表导体板单位体积中电子的个数 第二节第二节 传感器的应用 一 传感器的应用 一 学习目标学习目标 1 了解传感器应用的一般模式 2 理解应变式力传感器的应用 电子秤的工作原理 3 理解声传感器的应用 话筒的工作原理 4 理解温度传感器的应用 电熨斗的工作原理 5 会用各类传感器 力传感器 声传感器 温度传感器等 设计简单的控制电 路 课本导读课本导读 一 一 应变式力传感器的应用应变式力传感器的应用 电子秤电子秤 1 应变式力传感器的构造 它是由 和 组成 应变片是一种 敏感元件 多用 制成 2 应变式力传感器的工作原理如图 6 2 1 所示 弹簧钢制成的梁形元件右端 固定 在梁的上下表面各贴一个 在梁的自由端施力 F 则梁发生弯曲 上 表面 下表面 上表面应变片的电阻变 下表面的电 阻变 F 越大 弯曲形变 越 应变片的阻值变化就 越 如果让应变片中通过 的电流保持恒定 则上面应变片两端 的电压变 下面应变片两 端的电压变 因此可得 外力越大 输出的电压差值也就越 3 应变力传感器的作用 它能够把 转换成 二 声传感器的应用二 声传感器的应用 话筒话筒 1 话筒的作用 话筒是一种常见的声传感器 它能把 转换为 2 动圈式话筒的构造 如图 6 2 2 所示 及工作原理 它主要由 和 组成 其工作原理可简述为 3 电容式话筒的构造 如图 6 2 3 所示 及工作原理 它主要是由 和 组成的一个电容器 4 驻极体话筒的工作原理及特点 它的工作 原理与电容式话筒 但工作电压不同 它只需 的电压 而电容式话筒需 的电压 它的特点有 图 6 2 1 图 6 2 2 图 6 2 3 三 温度传感器的应用三 温度传感器的应用 电熨斗电熨斗 1 电熨斗的构造 如图 6 2 4 所示 它主要由 弹性铜片 电热丝 金属底板等几部分组成 2 电熨斗的工作原理 常温下上 下触点是 设定温度时 通过调节 使弹性铜片下降 与弹性铜片相连接的上触点与 接通 这样电路接通 电 热丝发热产生热量 温度升高 可以 熨烫衣物 这时双金属片也由于受热 而膨胀 但因双金属片上层金属的膨胀系数 下层金属 使双金属片向 弯曲 上下触点脱离 电路断开 由于电路断开 电热丝不再发热 温度降 低 双金属片恢复初态 电路又接通加热 不难看出 双金属片温度传感器的作用就是 典型例题典型例题 例例 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 6 2 5 可知 A 话筒工作时磁铁不动 线圈振动而产生感生电流 B 录音机放音时变化的磁场在静止的线圈产生感生电流 C 录音机放音线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 D 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 图 6 2 4 解析解析 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 A 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 D 正 确 磁带在放音时通过变化的磁 场使放音头产生感应电流 经放大电路后再送到扬声器中 B 正确 答案答案 ABD 例例 2 一般的电熨斗用合金丝作发热元件 合金丝电阻随温度 t 变化的关系如图 6 2 6 中实线 所示 由于环境温度以及熨烫的衣物厚度 干湿等情况不同 熨斗的 散热功率不同 因而熨斗的温度可能会在较大范围内被动 易损坏衣物 有一种用主要成分为 BaTiO3 被称为 PTC 的特殊材料作发热元件的电熨斗 具 有升温快 能自动控制温度的特点 PTC 材料的电阻随温度变化的关系如图中实线 所 示 根据图线分析 1 为什么原处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快 2 通电一段时间后电熨斗温度 t 自动地稳定在 T t T 范围之 内 填下标数字 答案答案 1 冷态时 PTC 电阻很少 电功率很大 所以升温快 2 6 7 自我测评自我测评 1 下列说法正确的是 A 应变式力传感器可以测重力 也可以用来测牵引力 B 电子秤的核心元件是应变片 它多用金属材料制成 是一种敏感元件 C 应变片能把力学量 物体形变转换为电学量 电压 图 6 2 5 D 所有电子秤都应用了应变式力传感器 2 关于话筒 下列说法正确的是 A 无论动圈式话筒 电容式话筒 还是驻极体话筒 作用相同都将声波 力 学量转换成了电压 或电流 电学量 B 电容式话筒和驻极体话筒原理相同 都是声波的变化引起电容变化 进而引 起输出电压的变化 C 动圈式话筒利用通电线圈在磁场中受安培力振动实现声向电的转化 D 因为驻极体话筒价格便宜 灵敏度高 会场大都用驻极体话筒 3 下列说法正确的 A 电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片 两片金属的膨胀系数相同 B 常温下 上下触点是分享的 温度过高时 双金属片发生弯曲使上下触点分 享 C 需要较高温度熨烫时 要调节温度旋钮 使升降螺丝下移并推动弹性铜片下 移 D 电熨斗中的双金属片是一种半导体材料 4 为解决楼道的照明 在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路相接 当楼道 内有人走动而发出声响时 电灯即被接通电源而发光 这种传感器为 它输 入的是 信号 经传感器转换后 输出的是 信号 5 传感器是一种采集信息的重要器件 图 6 2 7 是由电容器作为传感器来测 定压力变化的电路 当待测压力为 F 作用于可动膜片电极上时 以下说法中正确的 A 若 F 向上压膜片电极 电路中有从 a 和 b 的电流 B 若 F 向上压膜片电极 电路中有从 b 和 a 的电流 C 若 F 向上压膜片电极 电路中不会出现电流 D 若电流表有示数 则说明压力 F 发生 变化 6 1999 年 7 月 12 日 日本原子能公司所属 敦贺湾电站由于水管破裂导致国徽冷却剂外流 在检测此重大事故中应用了非电量变化 冷却剂 外泄使管中液面变化 转换为电信号的自动化测图 6 2 7 量技术 如图 6 2 8 所示是一种测定导电液体深度的装置 包着一层电介质的金属棒 与导电液体形成一个电容器 电容量的变化能反映液面的升降情况 则下列叙述中正确 的是 A 电容增大反映 h 增大 B 电容增大反映 h 减少 C 将金属棒间的电压和导电液体分别接电源两极再断开后 液体深度变化时导电 液与金属棒间的电压增大反映 h 减小 D 将金属棒和导电液体分别接电源两极 再断开后 液体深度变化时导电液与金属棒间 的电压增大反映 h 增大 7 2003 年高考上海综合 卡拉 OK 用 的话筒 内有传感器 其中有一种是动圈式的 它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小 的金属线圈 线圈处于永磁体的磁场中 当声 波使膜片振动时 就将声音信号转换为电信号 下列说法正确的是 A 该传感器是根据电流的磁效应工作的 B 该传感器是根据电磁感应原理工作的 C 膜片振动时 穿过金属线圈的磁通量不变 D 膜片振动时 金属线圈中不会产生感应电动势 8 如图 6 2 9 所示 是一种测定角度变化的传感器 当彼此绝缘的金属构成的动 片和定片之间的角度 0 发生变化时 试分析传感器是如何将这种变化转化为电学量的 9 利用热敏电阻 电磁继电器 电铃 学生电源 必要的导线 开关等 设计一个火灾报警装置 要求有 安全和报警两种指示 拓展提高拓展提高 图 6 2 8 图 6 2 9 思维升华思维升华 通过分析传感器的三个典型应用实例电子秤 话筒和电熨斗的工作原理 着重分析 它们如何实现非电学量向电学量的转换 尝试着进行简单控制电路的设计 以达到学以 致用的目的 综合实践与创新综合实践与创新 1 2001 年上海 某学生为了测量一物体的质量 找到一个力电转换器 该转换器 的输出电压正比于受压面的压力 比例系数为 k 如图所示 测量时先调节输入的电压 使转换器空载时的输出电压为零 而后在其受压面上放一物体 即可测得与物体的质量 成正比的输出电压 U 现有下列器材 力电转换器 质量 m0的砝码 电压表 滑动变阻器 干电池各一个 开关及导线若干 待测物体 可置于力电转换器的受压面上 请在如图所示的方框内完成对该物体质量的测量 1 设计一个电路 要求力电转换器的输入电压可调 并且使电压的调节范围 尽可能大 在方框中画出完整的测量电路图 2 简要说明测量步骤 示出比例系数 k 并测出待测物体的质量 m0 请设想实验中可能会出现的一个问题 第三节第三节 传感器的应用 二 传感器的应用 二 学习目标学习目标 1 理解温度传感器的应用 电饭锅的结构及工作原理 2 了解温度传感器的应用 各种数字式测温仪的特点及测温元件 3 理解光传感器的应用 机械式鼠标器的构造及工作原理 4 了解光传感器的应用 火灾报警器的构造及工作原理 5 会用各类传感器 光传感器 温度传感器等 设计简单的控制电路 课本导读课本导读 一 一 温度传感器的应用温度传感器的应用 电饭锅电饭锅 1 电饭锅的内部结构 如图 6 3 1 所示 电饭锅主要由接线螺钉 触点 转轴 开关按钮 弹簧 内胆底等构 成 其中 为主要元件 它是用 和 混合烧结而成的 它的特点主要有 常温下具有铁磁性 能够被磁体吸引 但是上升到 时 就失去 性 不能被磁体吸引了 该温度在物 理学中称为该材料的 或 2 电饭锅的工作原理 二 二 温度传感器的应用温度传感器的应用 测量仪测量仪 1 测温仪的原理 温度传感器要以把 转换成 再由 指针式仪表或数字式仪表显示出来 这就是指针式测温仪和数字式测温仪的原理 由于 电信号可以远距离传输 所以应用温度传感器可以进行远距离测温 2 测温元件 它可以是 利用该元件可以实现无 接触测温 三 三 光传感器的应用光传感器的应用 鼠标器鼠标器 1 机械式鼠标器的内部结构 它由一个滚球 两个滚轴 两个 它的边缘开有许多等间距的小齿 两个 LED 还有两 个 两个光传感器 等组成的 2 机械式鼠标器的工作原理 当鼠标器在桌面上移动时 滚球的运动通过 带动两个 转动 红外线接收管就收到的 输出 相应的 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 四 四 光传感器的应用光传感器的应用 烟雾散射式火灾报警器烟雾散射式火灾报警器 1 烟雾散射火灾报警器的构造 带孔的罩子内装有 图 6 3 1 和不透明的档板 2 烟雾散射式火灾报警器的工作原理 平时 收不到 LED 发出的 光 呈现 状态 烟雾进入罩内后对光有 作用 使部分光线照 射到 其电阻变 与传感器连接的电路检测发出这种变化 就会发出警报 典型例题典型例题 例例 1 如图 6 3 2 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 时 会自动 断开 S2是一个自动控控温开关 当温度低于 70 时 会自动闭合 温度高于 80 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 电阻丝 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 解析解析 1 电饭煲盛上食物后 接上电源 S2自动闭合 同时手动闭合 S1 这时 黄灯短路 红灯亮 电饭煲处于加热状态 加热到 80 S2自动断开 S1仍闭合 水烧 开后 温度升高到 103 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 待温度将至 70 时 S2自动闭合 电饭煲重新加热 温度达到 80 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 U2 R并 保温时电饭煲消耗的功率 P2 图 6 3 2 两式中 2 1 U RR并 21 21 500 11 R R R RR 并 从而有 1 2 1 12 1 RRP PR 并 并 3 如果不闭合开关 S1 开始 S2总是闭合的 R1被短路 功率为 P1 当温度 上升到 80 时 S2自动断开 功率降为 P2 温度降到 70 S2自动闭 合 温度只能在 70 80 之间变化 不能把水烧开 不能煮熟 饭 例例 2 如图 6 3 3 所示为实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图 A 为光源 B 为光电接收器 A B 均固定在小车上 C 为小车的车轮 车轮转动时 A 发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号 被 B 接收并转换成电信号 由 电路记录和显示 若实验显示单位时间的脉冲数 n 累积脉冲数为 N 则要测出小车的 速度和行程还必须测量的物理数据是 小车速度的表达式为 V 行程的表达式为 s 解析解析 小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车 轮转动圈数的乘积 设车轮的半径为 R 单位时间内车轮 转动圈数为 k 则有 V 2 Rk 若齿轮的齿数为 P 则齿轮转一圈 电子电路显示的 脉冲数即为 P 已经单位时间内的脉冲数为 n 所以单位 时间内齿轮转动圈数为 n P 由于齿轮与车轮同轴相连 他们在单位时间内转动圈数相 等 即 k n P 由以上两式可得 v 2 Rn P 同理 设车轮转动的累积圈数为 k 则有 s 2 Rk 且 k N P 所以 s 2 RN P 可见 要测小车的速度 v 和行程 s 必需测出单位时间的脉冲数 n 和累积脉冲数 N 车轮半径 R 和齿轮的齿数 P 答案答案 车轮的半径 R 和齿轮的齿数 P 2 Rn P 2 RN P 自我测评自我测评 图 6 3 3 1 下述仪器或装置用到传感器的有 A 自动报警器 B 电子秤 C 电视摇控器 D 红外线探测仪 2 试说明下列各种场合分别选用怎样的传感器 1 普通电冰箱中的自动温度控制电路 2 马路两侧的路灯控制电路 3 气垫导轨上用的光电门 4 楼梯灯控制电路 5 宾馆的自动门 6 话筒 7 非接触式体温计 8 摇控电视机的接收器 3 关于电饭锅 下列说法正确的是 A 电饭锅中的传感器磁体是一种半导体材料 B 开始煮饭时 压下开关按钮的原因是克服弹簧的弹力使永磁体一端上升 上 下触点接触接通电路 C 用电饭锅煮米饭 饭熟后水分被大米吸收 锅底的温度会升高 当升高到 居里温度 时 电饭锅会自动断电 D 用电饭锅烧水 水沸腾后也可以自动断电 4 下列说法中正确的是 A 机械式鼠标器中光传感器就是两个红外接收管 它的作用就是光信号 红外 线脉冲 转换成电信号 电脉冲 B 机械式鼠标器中光传感器是由两个滚轴 两个码盘 两个红外线发射管 LED 和两个红外接收管组成的 C 火灾报警器中光传感器是光电三极管 它的作用也是把光信号转换成电信号 D 火灾报警器是利用烟雾对光的散射作用来工作的 5 2003 年高考上海综合 用摇控器调换电视机频道的过程 实际上就是传感器把 光信号转换成电信号的过程 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 6 计算机光驱的主要部分是激光头 它可以发射脉冲激光信号 激光扫描光盘信息 时 激光头利用光敏光阴自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统 再通 过计算机显示出相应信息 光敏 电阻自动计数器的示意图如图 6 3 4 所示 其中 R1为光敏电 阻 R2为定值电阻 此光电计数 器的基本工作原理是 A 当有光照射 R1时 处理 系统获得高电压 B 当有光照射 R2时 处理系统获得低电压 C 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D 信号处理系统每获得一次高电压 就计数一次 7 如图 6 3 5 是一火警报警装置 的一部分电路示意图 其中 R2 为用半导 体热敏材料制成的传感器 电流表为值班 室的显示器 a b 之间接报警器 当传感 R2所在处出现火情时 显示器的电流 I 报警器两端的电压 U 的变化情况是 A I 变大 U 变小 B I 变小 U 变小 C I 变小 U 变大 D I 变大 U 变小 8 2003 高考上海综合 传感器可将非电学量转 换为电学量 起自动控制作用 如计算机鼠标中有位 移传感器 电熨斗 电饭煲中有温度传感器 电机机 图 6 3 4 图 6 3 5 图 6 3 4 录像机 影碟机 空调机中有光传感器 演示位移传感器的工作原理如图 6 3 4 所 示 物体 M 在导轨上平移时 带动滑动变阻器的金属滑杆 P 通过电压表显示的数据来 反映物体位移的大小 X 假设电压表是理想的 则下列说法正确的是 A 物体 M 运动时 电源内的电流会发生变化 B 物体 M 运动时 电压表的示数为发生变化 C 物体 M 不动时 电路中没有电流 D 物体 M 不动时 电压表没有示数 9 如图 6 3 5 所示电路 R3是光敏电阻 光开关 S 闭合后 在没有光照射时 a b 两点等电热 当用光照射电阻 R3时 则 A R3的电阻变小 a 点的电势高于 b 点电势 B R3的电阻变小 a 点的电势低于 b 点电势 C R3的电阻变大 a 点的电势高于 b 点 电势 D R3的电阻变大 a 点的电势低于 b 点 电势 10 电饭锅的原理如图 6 3 6 所示 煮饭时开关 S 是闭合的 红色指示灯亮 饭 熟后 当时的温度大约为 103 保护开关 S 自动断开 黄灯亮 1 电阻 R1的作用是 保护红色指示灯不致因电流 过大而烧毁 与电饭锅发热 板的等效电阻相比 二者大 小应有什么关系 为什么 通常情况下用这种电饭锅烧水时它的自动断电功能能不能起作用 为什么 图 6 3 5 图 6 3 6 拓展提高拓展提高 思维升华思维升华 通过分析传感器的四个典型应用实例电饭锅 测温仪 鼠标器和火灾报警器的工作 原理 着重分析它们如何实现非电学量向电学量的转换 尝试着进行简单电路的设计 以达到学以致用的目的 综合实践与创新综合实践与创新 1 生活 中 经常用到用 光控制电路的情 况 例如路灯的 控制开关 傍晚 时等光暗到一定 程度 路灯会自 动点亮 清晨时光亮到一定程度 路灯自动熄灭 下面是光敏电阻 两个电源 带放大 器 放大器内有电源 图中没有表示出来 的断电器和灯的示意图 见图 6 3 7 继 电器的线圈 A 绕在软铁芯上 并且跟放大器的输出端 c d 相连 a b 是放大器的作用 是 当输入端回路中电流发生较小变化时 输出端回路中电流发生较大的变化 当线圈 A 产生的磁场足够强时 就会克服弹簧 K 的弹力将衔铁 c 吸下 触头 D 断开 触头 B 接 通 当输入端回路中电流变化较小时 线圈 A 产生的磁场不足以吸住衔铁 C 则触头 B 断开 触头 D 接通 1 连接实物图 使得光强时灯灭 光弱时灯亮 2 简要说明此电路的工作原理 第四节第四节 传感器的应用实例传感器的应用实例 四 四 学习目标学习目标 1 掌握光控开关电了路的工作原理 2 掌握温度报警器电路的工作原理 图 6 3 7 课本导读课本导读 1 在逻辑电路中 常把电势的高低叫做电平的高低 输出低电平 的意思是 输出端处于 电势的状态 2 斯密特触发器是具有 功能的非门 常用符号 表 示 3 当加在斯密特触发器的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值 1 6v 时 输出 端 Y 会突然从 电平跳到 电平 0 25V 而当输入端 A 的 电压下降到另一个值时侯 0 8V 输出 Y 从 电平跳到 电 平 3 4V 4 斯密特触发器可以将 变化的模拟信号转换为 变的数 字信号 典例分析典例分析 现有热敏电阻 电路丝 电源 电磁继电器 滑动变阻器 开关和若干导线 如图 6 4 1 所示 试设计一个控温 电路 要求温度低 于某一温度时 电路丝自动通电 供热 超过某一 温度时 又自动 断电 画出电路 图说明工作原理 解析解析 发热敏电阻 R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路 答案答案 1 电路图如图 6 4 2 所示 图 6 4 1 2 工作过程 闭合 S 当温度低于设计值时 热敏电阻阻值大 通过电磁继电器 电流不能使它工作 K 接通电炉丝加热 当温度达到设计值时 热敏电阻减小到某值 通过电磁继电器的电流达到工作电流 K 断开 电炉丝断电 停止加热 当温度低于设 计值 又重复前述过程 自我评测自我评测 1 如图 6 4 3 所示的电路为一个逻辑电平检测器 使用时 将检测器的输入 端 A 接到被测点 当被检测点为高电平时 发光二极管就会导通发光 当被检测点为低 电平时 发光二极管就不会发光 试说明为什么 2 图 6 4 3 是一个为警报器装 置的逻辑电路图 是一个热敏电阻 低温 时电阻值很大 高温时电阻值很小 R 是 一个阻值较小的分压电阻 1 要做到低温时电铃不响 出现为灾时产生高温 电铃响起 在图中虚线处 画出接入的斯密特触发器 2 为什么在高温时电铃会响起 3 为了提高电路的灵敏度 即将报警温度调的低些 那么 R 的值应该大一 些还是小一些 拓展提高拓展提高 思维升华思维升华 图 6 4 2 图 6 4 3 热敏电阻 光敏电阻起都是由半导体材料制成的 分别随着温度的增大 光线的增 强 它们里面的自由电子数均增多 故电阻均变 小 相反 随着温度的减小 光度的减弱 电阻均 变大 综合实践与创新综合实践与创新 1 如图 6 4 4 所示的光控电路中 1 试说明该电路的工作原理 2 为什么要用继电器来启闭另外的供电电 路 3 为什么必须给继电器并联一只二极管 2 在综合实践与创新 1 中 使二极管发光和继电器动作的电流是怎样形成通路的 课时课时 1 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 课本导读 一 1 软磁性材料 开关 感知磁场 2 非电学量 电学量 电路的通断 力传感 器 二 1 半导体材料 半导体材料 减少 极少 不好 增多 变好 2 光照强弱这 个光学量 电阻这个电学量 三 1 增大 化学稳定性好 大 灵敏度 2 增强 明显减小 半导体材料 金属 氧化物 较高 3 温度这个热学量 四 1 半导体 2 如图题图 6 1 在 E F 间通入恒定的电流 I 同时外加与薄片垂直的磁场 B 则 薄片中的截流子就在洛伦兹力的作用下 向着与电流和磁场都垂直的方向漂移 使 M N 间出现了电压 称为霍尔电压 UH 推导略 薄片的厚度 霍尔系数 薄片的材料 IB k d 3 磁场感应强度 电压这个电学量 达标测试 1 ABD 2 BD 3 AD 4 ABC 5 B 6 B 7 CD 8 BD 9 减小 光电 10 1 A 2 C 11 由于热敏电阻阻值较大 左侧电路电流较小 电磁 铁磁性较弱吸不住衔铁 逐渐变亮电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小 电路中电流增大 电磁铁吸住衔铁 小灯泡不会立即熄灭 热敏电阻温度仍然较高 小灯泡熄灭 12 参见 拓展提高第 2 图 扩展提高 1 D 2 1 低于 2 eU h evB 4 电子受到横向静电力横向静电力与洛伦兹力与洛伦兹 力的作用 两力平衡 有 eU h evB 由上式 得 U hvB 1 图 6 4 4 通过导体的电流密度 I neV d h 有 U kIB d 有 hvB k neVB d h d 得 k I ne 课时课时 2 传感器的应用传感器的应用 课本导读 一 1 金属梁 应变片 半导体材料 2 应变片 拉伸 压缩 大 小 大 大 大 小 大 3 物体形变这个力学量 电压这个电学量 二 1 声信号 电信号 2 永久磁体 膜片 线圈 当声波使膜片振动时 在弹性膜 片后面粘接的一个轻小的金属线圈随之振动 线圈处于永磁体的磁场中产生与声音变化规 律相同的感应电流 这样就将声音信号转化为电信号 3 绝缘支架 薄金属膜 固定电极 保真度 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感应电流 这样 就将声音信号转化为电信号 4 类似 3 6V 250V 体积小 重量轻 价格便宜 灵敏度高 三 1 调温旋钮 升降螺丝 绝缘支架 触点 双金属片 2 分离的 调温旋钮 下触点 大于 下 控制电路的通断 达标测试 1 AC 2 AB 3 BC 4 声 声 电 5 BD 6 AC 7 B 8 夹角 的变 化 引起电容器的变化 若电容器始终与电源相接 即电压一定时 电容器在角度 变化 时 就会充或放电 产生电流 这样就将这种变化转化为电学量 9 如图所示 扩展提高 1 1 设计的电路图如图所示 2 测量的步骤与结果 调节滑动变阻器 使转换器的输出电压为零 将砝码放在转换器上 记下输出电压 UO 将待测物放在转换器上 记下输出电压 U 由 UO kmog 得 k UO mog 测得 U kmg 所以 m moU UO 3 因