高二物理选修3-2传感器及其应用(课件)

1、第五章第五章 传感器传感器第第5 5章章 传感器传感器种类繁多的传感器种类繁多的传感器指纹考勤机指纹考勤机供应宝马温度温度传感器传感器一、什么是传感器一、什么是传感器? ?位移、速度、压力、位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光，温度、湿度、流量、声强、光， 的一种组件，起自动控制作用的一种组件，起自动控制作用非电学量 电学量二、传感器的种类二、传感器的种类是利用化学反应的原理，识是利用化学反应的原理，识别和检测信息，把别和检测信息，把 化学物质的成分、浓化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。度等转换为电信号的传感器。 如气敏传感器、湿敏传感器等，在环境保护火灾如气敏传感器、湿敏传

2、感器等，在环境保护火灾报警、医疗卫生和家用电器方面有广泛应用。报警、医疗卫生和家用电器方面有广泛应用。是一种利用生物活性物质选择性的是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器识别和测定生物化学物质的传感器。转换电路转换电路物理信息物理信息化学信息化学信息生物信息生物信息电电信信号号敏感元件敏感元件传感器传感器三、传感器的工作原理三、传感器的工作原理传感器：传感器： 一般由一般由 敏感元件、转换器件、转换电路敏感元件、转换器件、转换电路 三三 部分组成部分组成 转换转换器件器件敏感敏感元件元件转换转换电路电路 非电非电物理量物理量电学量电学量常见传感器及工作原理1、光敏电阻（光

3、电传感器） 利用烟雾对光的散利用烟雾对光的散射来工作的火灾报射来工作的火灾报警器警器特性：例例1 1、如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，、如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中其中R R1 1为光敏电阻，为光敏电阻，R R2 2为定值电阻此光电计数为定值电阻此光电计数器的基本工作原理是（器的基本工作原理是（ ）A A当有光照射当有光照射R R1 1时，信号处理系统获得高电压时，信号处理系统获得高电压B B当有光照射当有光照射R R1 1时，信号处理系统获得低电压时，信号处理系统获得低电压C C信号处理系统每获得一次低电压就记数一次信号处理系统每获得一次低电压就记数一次D D信号处理系统

4、每获得一次高电压就记数一次信号处理系统每获得一次高电压就记数一次2、热敏电阻热敏电阻R-T关系示意图RTo热敏电阻的阻值会随着温度的升高而_，具有负温度系数特性：减小例例2 2 有定值电阻、热敏电阻、光敏有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电电阻三只元件分别接入如图所示电路中路中A A、B B两点后，用黑纸包住元件两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ）A AB BA.A.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏

5、电阻件一定是热敏电阻B.B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻一定是定值电阻C.C.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻只元件一定是光敏电阻D.D.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻件一定是定值电阻ACAC例例3 3：如图是一火警报警的一部分电路示意图。：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中其中R R2 2为用半

6、导体热敏材料制成的传感器，电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，流表为值班室的显示器，a a、b b之间接报警器。之间接报警器。当传感器当传感器R R2 2所在处出现火情时，显示器的电流所在处出现火情时，显示器的电流I I、报警器两端的电压报警器两端的电压U U的变化情况是（的变化情况是（ ）A A. .I I 变大，变大，U U 变大变大 B B. .I I 变小，变小，U U 变小变小 C.C.I I 变小，变小，U U 变大变大 D D. .I I 变大，变大，U U 变小变小 R R1 1R R2 2R R3 3A Aa ab bE Er rB 尝试体验尝试体验 如

7、图所示，如图所示，R R1 1、R R2 2为定值电阻，为定值电阻，L L是小是小灯泡，灯泡，R R3 3为光敏电阻，当照射光强度增大为光敏电阻，当照射光强度增大时，（时，（ ） A A电压表的示数增大电压表的示数增大 B BR R2 2中电流减小中电流减小 C C小灯泡的功率增大小灯泡的功率增大 D D电路的路端电压增大电路的路端电压增大返回返回 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产

8、、现代科电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及飞船上的惯性导航系统及ABSABS防抱死制动系防抱死制动系统等。统等。 3.3.力电传感器力电传感器 电阻传感器测物体的质量电阻传感器测物体的质量EPASBR0APASBR0VEPASBR0VE金属梁金属梁U1U2例例* *：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k k）如图所示，测量时先调节输

9、入端的电压，使转换器空载时的输出如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为电压为0 0；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压成正比的输出电压U U。现有下列器材：力电转换器、质量为现有下列器材：力电转换器、质量为m m0 0的砝码、电压表、滑动变的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量换器的受压面上）。请完成对该物体的测量m m。（1 1）设计一个电路，要求力电转换器的输

10、入电压可调，并且使）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。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 2）简要说明测量步骤，求出比例系数）简要说明测量步骤，求出比例系数k k，并测出待测物体的质，并测出待测物体的质量量m m。（3 3）请设想实验中可能会出现的一个问题。）请设想实验中可能会出现的一个问题。力电转换器力电转换器输出输出输入输入受压面受压面(1)(1) 设计电路如图(2) (2) 测量步骤与结果测量步骤与结果: :调节滑动变阻器调节滑动变阻器, ,使转换器的输出电压为使转换器的输出电压为零零, ,将砝

11、码放在转换器上将砝码放在转换器上, ,记下输出电压记下输出电压U U0 0, ,将待测物放在转换将待测物放在转换器上器上, ,记下输出电压记下输出电压U U 由由U U0 0=km=km0 0g,g,得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g U=k m g, U=k m g,所以所以 m=mm=m0 0U/UU/U0 0例题（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理例题（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中图，图中P P为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O O是悬挂点是悬挂点，R R0 0是保护电阻，是保护电阻，CDCD是水平

12、放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在C C点点接触，此时电路中的电流为接触，此时电路中的电流为I I，有风时细金属丝将偏转一角度，有风时细金属丝将偏转一角度（与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在C C/ /点接触，已点接触，已知风力方向水平向左，知风力方向水平向左，OC=hOC=h，CD=LCD=L，球的质量为，球的质量为M M，电阻丝单，电阻丝单位长度的电阻为位长度的电阻为k k，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属，电源内电阻

13、和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转丝偏转角时，电流表的示数为角时，电流表的示数为I I，此时风力大小为，此时风力大小为F F，试写，试写出：出：风力大小风力大小F F与与的关系式；的关系式；风力大小风力大小F F与电流表示数与电流表示数I I 的关系的关系式。式。 此装置所测定的最大风力是多少此装置所测定的最大风力是多少？R0OPDBCA电源例题例题3：（：（2003上海考题）演示位移传感器的工作原理如右图示，上海考题）演示位移传感器的工作原理如右图示，物体物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大

14、小表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的，。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是则下列说法正确的是( )A 物体物体M运动时，电源内的电流会发生变化运动时，电源内的电流会发生变化B 物体物体M运动时，电压表的示数会发生变化运动时，电压表的示数会发生变化C 物体物体M不动时，电路中没有电流不动时，电路中没有电流D 物体物体M不动时，电压表没有示数不动时，电压表没有示数B电容式位移传感器电容式位移传感器电容式位移传感器示意图被测物体x x电容器极板电介质板定片定片动片动片电介质电介质金属芯线金属芯线导电液体导电液体待测压力待测压力F F固定电极固定电极可动电极可动电极x x极板

15、极板极板极板电介质电介质其它电容式传感器其它电容式传感器例例4:可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。其结构如图所示。当系统绕轴当系统绕轴OO转动时，元件转动时，元件A发生位移并输出相应的电压信号，发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。已知成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。已知A的质量为的质量为m，弹簧，弹簧的劲度系数为的劲度系数为k、自然长度为、自然长度为l，电源的电动势为，电源的电动势为E、内阻不计。滑、内阻不计。滑动变阻器总长也为动变阻器总长也为l ，电阻分布均匀，系统静止时，电阻分布均匀，系统静止时P在在

16、B点，当系点，当系统以角速度统以角速度转动时，试写出输出电压转动时，试写出输出电压U与与的函数式。的函数式。A S PCBOO输出电压输出电压U解：设弹簧伸长x , 则 x= m 2 l ( k-m 2 )设滑动变阻器单位长度 的电阻为r1 U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l U= Em 2 (k-m 2)例例5：将金属块：将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示，用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示，在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。当箱以当箱以a=2.0 m/s2的加速度竖直向

17、上做匀减速运动时，上顶板的传的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的传感器显示的压力为感器显示的压力为6.0N，下底板的传感器显示的压力为，下底板的传感器显示的压力为10.0N。(取取g=10 m/s2)(1)若上顶板传感器的示数是下底板若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半，传感器的示数的一半， 试判断箱的试判断箱的运动情况。运动情况。(2)要使上顶板传感器的示数为零要使上顶板传感器的示数为零,箱箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？m原来原来（1）（2）解：解：mF=10NF1 =6Nmga向上做匀减速运向上做匀减速运动动a向下向下a=2m/s2mg

18、+F1-F=mam=0.5kgFmgF2a2上顶板示数是下上顶板示数是下底板示数的底板示数的1/2弹簧长度不变弹簧长度不变F=10N F2=5N mg+F2-F=ma2a2=0静止或匀速运动静止或匀速运动Fmga3上顶板示数为零，则弹上顶板示数为零，则弹簧变短簧变短F10N F3=0F mg = ma3a3 10m/s2向上加速或向下减速，向上加速或向下减速，加速度加速度a 10m/s2。（1）话筒的作用是什么？（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这种话筒的优点是什么？（4）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？ 4.声电传感器声电传感器 例题例

19、题1.（2003上海试题）唱卡拉上海试题）唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。其中用的话筒，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，当声波使膜片前后振小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是动时，就将声音信号转变为电信号。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

20、量不变膜片振动时，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膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 B常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。双金属片温度传感器：例例2.日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？U形动触片形动触片静触片静触片氖泡氖泡图1解析：日光灯启动器结构如图所示，解析：日光灯启动器结构如图所示，内有一双金属片，热膨胀系数不同。内有一双金属片，热膨胀系数不

21、同。开关闭合后，启动器两极之间有电开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使出的热量使U U形动触片受热膨胀向外形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片接触，电路接通；延伸，碰到静触片接触，电路接通；温度降低时，温度降低时，U U动触片向里收缩，离动触片向里收缩，离开触点，切断电路。开触点，切断电路。电熨斗的构造思考与讨论：常温下两触点是接触还是分离？如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？例例3.3.电熨斗：电熨斗：利用双金属片温度传感器控制电路的通断利用双金属片温度传感器控制电路的通断. .（1）电饭锅中温度传感器的主要元件是什么？）电饭锅中温度传感器的主要元件是什么？（2）感温铁氧体的组成物质是什么？）感温铁氧体的组成物质是什么？（3）感温铁氧体有何特点？）感温铁氧体有何特点？（4）什么是）什么是“居里点居里点”？2、热敏电阻和金属热电阻ORT金属导线金属导线热敏电阻热敏电阻例题例题3.3.下图是一个温度传感器的原理示意下图是一个温度传感器的原理示意图图,R,Rt t是一个热敏电阻器。试说明传感器是如是一个热敏电阻器。试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的。何把