1、第三章 传 感 器 1.传 感 器 必备知识自主学习 一、传感器【情境思考】如图所示,当人们走近或离开一些宾馆、商场的自动门时,门会自动开关,是什么在起主要作用?提示:传感器。1.定义:把被测的_,按一定规律转换成与之对应的_的器件 或装置。2.结构:由_元件和处理电路组成。非电信息 电信息 敏感 二、敏感元件的原理 1.原理:利用物理学中能直接感受到的_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_、热、光、电磁和声等物理效应。(2)化学类:基于_原理。(3)生物类:基于酶、_和激素等分子识别功能。非电信息 力 化学反应 抗体 3.热敏电阻的特性:热敏电阻是用_材
2、料制成的,它具有电阻随_灵敏 变化的特性,可以实现对_的测量。4.干簧管的工作原理:干簧管可以感受外界磁场,当干簧管的两个铁质簧片处有 磁场时,两簧片_,在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态,磁场减弱 时两簧片又分开。在电路中的作用就是一个磁控_。半导体 温度 温度 磁化 开关 关键能力合作学习 知识点一 对传感器的认识 1.传感器的组成:(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种 敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。(2)转换元件:是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非 电信号转换成电信号的电子元件。(3)转换电路:将转换元件
3、输出的不易测量的电信息转换成易于测量的电信息,如电压、电流、电阻等。2.传感器的原理:传感器感受的通常是非电信息,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电信息,如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的,通常需要经过放大后,再传送给控制系统产生各种控制动作。【典例示范】【典例】(多选)如图所示,甲图是录音机的录音电路原理图,乙图是研究自感现象的实验电路图,丙图是火灾报警器的光电传感器的部分电路图,丁图是电容式话筒的电路原理图,下列说法正确的是()A.甲图中录音机录音时,由于话筒的声电转换,线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 B.乙图电路中,开关断开瞬间,灯泡会突
4、然闪亮一下,并在开关处产生电火花 C.丙图电路中,当有烟雾进入罩内时,光电三极管上就会因烟雾的散射而有光的照射,表现出电阻的变化 D.丁图电路中,当声波使膜片振动时,电容发生变化,会在电路中产生变化的电流【解析】选A、C、D。磁带录音机的录音原理是:录音时,话筒将声音先转变成 强弱变化的电流,即声信号转换为电信号(这是利用了电磁感应现象),送到录音 磁头;由题图可知:录音磁头是一个蹄形电磁铁,它的磁性强弱会随电信号变化,将电信号转换为磁信号(利用了电流的磁效应),故A正确;乙图电路中,开关断开 瞬间,灯泡立即熄灭,故B错误;光电三极管也是一种晶体管,它有三个电极。当 光照强弱变化时,电极之间的
5、电阻会随之变化。当有烟雾进入罩内时,光电三极 管上就会因烟雾的散射而有光的照射,表现出电阻的变化,故C正确;电容式话筒 一样利用振膜接受空气振动信号,振膜与固定的平面电极之间形成一个电容,两 者之间的距离变化会导致其电容容量的变化。在电容两端施加固定频率及大小 的电压,通过电容的电流就会变化,故D正确。故选A、C、D。【素养训练】1.传感器的输出量通常为()A.非电量信号 B.电量信号 C.位移信号 D.光信号【解析】选B。传感器是将非电学量转换为电学量的元件,则传感器的输出量通常为电量信号。故选B。2.下列关于传感器的说法,正确的是()A.金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器 B
6、.传感器不是电视遥控接收器的主要元件 C.干簧管是一种能够感知电场的传感器 D.传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量或转换为电路的通断【解析】选D。金属热电阻是一种将温度这个热学量转化为电阻这个电学量的传感器,故A错误;电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器,故B错误;干簧管是一种能够感知磁场的元件,故C错误;传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或转换为电路的通断,故D正确。故选D。3.传感器是把非电学量(如温度、速度、压力等)的变化转换为电学量变化的一 种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。如图是一种测量液面高度h的电容 式传感器的示意图。电容C大小的变化就能反映液面的升降情况。关
7、于两者关 系的说法中正确的是()A.C增大表示h减小 B.C减小表示h增大 C.C减小表示h减小 D.C的变化与h变化无直接关系【解析】选C。C增大表示电容器的正对面积变大,h增大,C减小表示h减小,故C正确。【加固训练】如图所示是某种汽车上的一种自动测定油箱内油面高度的装置。R是滑动变阻 器,它的金属滑片是杠杆的一端,从油量表(由电流表改装而成)指针所指的刻度,就可以知道油箱内油面的高度,当滑动变阻器的金属片向下移动时()A.电路中的电流减小,油箱内油面降低 B.电路中的电流减小,油箱内油面升高 C.电路中的电流增大,油箱内油面降低 D.电路中的电流增大,油箱内油面升高【解析】选D。油面升高
8、,金属片向下移动,R接入电路中的电阻减小,电路中电流增大,所以选项D正确。知识点二 三类传感器的异同和应用 1.三类传感器的异同:(1)相同点:都能将感受到的非电学量信息转化成电学量,都是利用敏感元件的 某种敏感效应制成的。(2)不同点:三类传感器的工作原理不同,所利用的敏感元件的敏感效应不同。生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于生物传感器的感受器中 含有生命物质。2.一些常见的传感器的特点及原理:传 感 器 输 入 量 输 出 量 工作原理 光电二极管 光 电压 光电效应 湿敏电阻 湿度 电压(电阻)感湿材料电阻随湿度 发生变化 话筒 声音 电流 电磁感应 加速度 传感器 加速度
9、 电压 电磁感应 热电偶 温度 电压 热电效应 酒精气体传感器 酒精气体 电阻 化学反应后引起电阻 变化【典例示范】【典例】(多选)下列使用压力传感器的是()A.洗衣机设有多段式水位自动感应装置 B.火灾报警器 C.酒精测试仪 D.电子秤【解析】选A、D。洗衣机设有多段式水位自动感应装置,是通过不同的压力转换成电学量,运用的压力传感器,故A正确;火灾报警器,是当有火灾时,产生的烟进入火灾报警器,利用光的漫反射,从而触发开关报警,故B错误;酒精测试仪使用的是酒精气体传感器,故C错误;电子秤是将压力转化为电阻的传感器,属于压力传感器,故D正确。【素养训练】1.(多选)用多用电表的同一挡位测量热敏电
10、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【解析】选A、D。温度越高,热敏电阻阻值越小;光照强度越大,光敏电阻阻值越小;对同一挡位,欧姆表指针偏角越大,所测电阻越小。测热敏电阻(NTC)时,温度越高,热敏电阻越小,多用电表指针偏角越大,故A正确,B错误;测光敏电阻时,光照越弱,光敏电阻阻值越大,多用电表指针偏角越小,故D正确,C错误;故选A、D。2.(多选)据统计,交通事故逐年增加,造成交通事故的一
11、个主要原因就是酒后驾 驶,“严查酒驾”成为全国交通部门的一项重要任务。酒精测试仪是用于现场 检测机动车驾驶人员是否酗酒的一种仪器,它的主要元件是由二氧化锡半导体 制成的酒精气体传感器,该传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化。在如 图所示的电路中,不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻,这样,显示仪 表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系。如果二氧化锡半导体型酒精气体传 感器电阻r的倒数与酒精气体的浓度c成正比,则以下说法正确的是()A.U越大,表示c越小 B.U越大,表示c越大 C.检测到驾驶员喝了酒时,U的示数变小 D.U越大,表示检测到驾驶员喝酒越多【解析】选B、D。题图中酒精气体传感器
12、与R、R0串联,电压表测R0两端的电压,U越大,说明电路中电流越大,酒精气体传感器的电阻越小。由题可知,酒精气体传感器电阻r的倒数与酒精气体的浓度c成正比,可知U越大,c越大,故A错误、B正确;检测到驾驶员喝了酒时,c增大,r减小,电路中总电阻减小,电路中电流增大,则U的示数增大,故C错误;由以上分析可知,U越大,c越大,表示检测到驾驶员喝酒越多,故D正确。故选B、D。【加固训练】惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中,这个系统的重要元件之一 是加速度计。加速度计的构造原理示意图如图所示,沿导弹长度方向安装 的固定光滑杆上套一质量为m的滑块,滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧 相连;两弹簧的
13、另一端与固定壁相连。滑块原来静止,弹簧处于自然长度。滑 块上有指针,可通过标尺测出滑块的位移,然后通过控制系统进行制导。设某 段时间内导弹沿水平方向运动,指针向左偏离O点的距离为s,则这段时间内导弹 的加速度()A.方向向左,大小为 B.方向向右,大小为 C.方向向左,大小为2 D.方向向右,大小为2 ksmksmksmksm【解析】选D。当指针向左偏离O点的距离为s时,与滑块相连的左边弹簧被压缩 s,右边弹簧被拉伸s,因而弹簧对滑块的弹力的大小均为ks,且方向均水平向右,即滑块受到的合力大小为2ks,方向水平向右。由牛顿第二定律可知a=,选项D正确。F2ksmm【拓展例题】考查内容:传感器与
14、圆周运动知识综合【典例】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意 图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在车身上,C为小车的车轮,D为与C同轴 相连的齿轮。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,由电子电路记录和显示,若实验显示单位时间内 的脉冲数为n,累计脉冲数为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】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=2Rk。若齿轮的齿数为P,则齿轮转一圈电子
15、电路显示的脉冲数即为P,已知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 。由于齿轮与车轮同轴相连,它们在单位时间内 转动圈数相等,即k=。由以上两式可得v=。同理,设车轮转动的累计 圈数为k,则有s=2Rk,且k=,所以s=。可见,要测出小车的速 度v和行程s,除知道单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N外,还必须测出车轮半 径R和齿轮的齿数P。答案:车轮半径R和齿轮的齿数P nPnP2 RnPNP2 RNP2 RnP2 RNP【课堂回眸】课堂检测素养达标 1.传感器担负着信息采集的任务,通常是把被测的非电信息,按照一定的规律转 化成与之对应的电信息的器件或装置。下列不属于传感器任务的
16、是()A.将力学量(如形变量)转变成电学量 B.将热学量转变成电学量 C.将光学量转变成电学量 D.将电学量转变成力学量【解析】选D。传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,D正确。2.物理传感器是利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出相关信息的,化学传感器是利用化学反应识别和检测信息的。下列说法正确的是()A.凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器 B.气敏传感器只能是物理传感器 C.物理传感器只能将采集到的信息转换为电压输出 D.物理传感器可以将采集的信息转换为多种形式物理量输出【解析】选D。各种传感器虽然工作原理不同,但基本功能相似,多数是将非电学量转化为电学量,故选
17、项A错误;气敏传感器的核心部件是气敏电阻,其表面吸收了某种自身敏感的气体之后会发生反应,使自身阻值改变,属于化学传感器,故选项B错误;物理传感器既可将信息转换为电压输出,也可将信息转换为电流、电阻等输出,故选项C错误,选项D正确。故选D。3.很多汽车的车窗有防夹手功能。车窗在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开,实现该功能可能使用的传感器是()A.生物传感器 B.气体传感器 C.温度传感器 D.压力传感器【解析】选D。汽车的车窗有防夹手功能,在关闭过程中碰到障碍时会停止并打开,这是因为使用了压力传感器,故选D。4.如图甲所示为一种电容式位移传感器的原理图,当被测物体在左右方向发生位移时,电介质板随
18、之在电容器两极板之间移动。已知电容器的电容与电介质板进入电容器的长度x之间的关系如图乙所示,其中C0为电介质板没有插入电容器时的电容。为判断被测物体是否发生微小移动,将该电容式位移传感器与电源、电流表、开关组成串联回路(图中未画出)。被测物体的初始位置如图甲所示。电路闭合一段时间后,下列说法正确的是()A.若电源为直流电源且直流电流表示数不为零,说明物体一定在发生移动 B.若电源为直流电源且直流电流表示数变大,说明物体一定在向右发生移动 C.若电源为交流电源且交流电流表示数不为零,说明物体一定在发生移动 D.若电源为交流电源且交流电流表示数变大,说明物体一定在向右发生移动【解析】选A。若电源为
19、直流电源,物体不动,则直流电流表示数必定为零,直流 电流表示数不为零,说明物体一定在发生移动,故A正确;物体左、右移动分别对 应充电、放电,不管物体向左、右哪个方向移动,直流电流表示数都将变大,故B 错误;电容器有通交流,隔直流的特点,因此若电源为交流电源,物体不移动时,交流电流表示数也不为零,故C错误;若电源为交流电源且交流电流表示数变大,说明电容器容抗变小,即电容变大,说明物体一定向左发生移动,故D错误。5.如图所示是电容式话筒的示意图,它是利用电容制成的传感器,话筒的振动膜 前面有薄薄的金属涂层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属涂层 和这个金属板构成电容器的两极。在两极间加一
20、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,从而使声音信号被话筒转化为电信号,其中导 致电容变化的原因是电容器两板间的()A.距离变化 B.正对面积变化 C.电介质变化 D.电压变化【解析】选A。振动膜前后振动,使振动膜上的金属涂层与金属板间的距离发生变化,从而将声音信号转化为电信号。6.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图:罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时外罩光电三极管接收不到LED发出的光呈现高电阻状态,发生火灾时,下列说法正确的是()A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电阻更大,检测电路检测出变化发出警报 B.发生
21、火灾时,光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路 检测出变化发出警报 C.发生火灾时,进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报 D.发生火灾时,进入罩内的烟雾对光有折射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报【解析】选C。由报警器的原理可知发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照在三极管上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化,发出警报,所以该传感器是用光传感器实现报警的,故选C。【加固训练】下列仪器或装置不是利用传感器的是()A.汽车防盗报警器 B.宾馆房间内的火灾报警器 C.工兵用的地雷探测仪 D.用钥匙打开房门【解析】选D。A、B、
22、C三种仪器都是将非电学量转换成电学量的装置,都是利用了传感器,用钥匙打开房门是利用了机械原理,不是利用的传感器。课时素养评价 十一 传 感 器【基础达标】(15分钟28分)选择题(本题共4小题,每小题7分,共28分)1.许多楼道照明灯具有这样的功能:天黑时,出现声音它就开启,而在白天,即使有声音它也没有反应。它的控制电路中可能接入的传感器是()A.温度传感器和光电传感器 B.光电传感器和声音传感器 C.声音传感器和热电传感器 D.温度传感器和热电传感器【解析】选B。根据题意,天黑时,出现声音它就开启;而白天,即使有声音它也没有反应,故电路中有光传感器,即使天黑,没声音灯也不亮,故用到了声音传感
23、器。即控制电路中接入了光传感器和声音传感器。故选B。2.(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接收器的主要元件 D.传感器是将力、温度、光、声、化学成分等转换为电信号的主要工具【解析】选A、B、D。传感器担负着信息采集的任务,故A正确;干簧管在磁场中两磁簧片被磁化,两触点为异名磁极,两触点相吸,电路接通,移走磁铁后磁性消失,两触点断开。故干簧管是一种磁传感器,故B正确;电视遥控接收器中使用了红外线传感器,故C错误;传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,即能够将力、温度、光、声、化学成分转换为电
24、信号。故D正确。故选A、B、D。3.演示位移传感器的工作原理如图所示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的触头P,通过电压表显示的数据,来反映物体位移的大小s。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,电压表的示数会发生变化 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【解析】选B。电压表为理想电表,则电压表不分流,故触头移动时不会改变电路的电阻,也就不会改变电路中的电流,故A错误;电压表测的是触头P左侧电阻分得的电压,故示数随物体M的移动亦即触头的运动而变化,故B正确,C、D错误。4.新型冠状病毒疫情期间,口
25、罩脱销了,消毒酒精脱销了,其实医用的额温枪也脱销了,一枪难求,因为其快速测温(1秒测温),无接触测温的特点而成了名副其实的防疫物质,其核心部件为一个传感器,外部还有几个按键、小型液晶屏、电池等构成。额温枪的核心部件是什么传感器()A.光传感器 B.声音传感器 C.力传感器 D.红外温度传感器【解析】选D。任何物体在高于绝对零度以上时都会向外发出红外线,额温枪通过红外温度传感器接收红外线,计算出温度数据,所以,额温枪的核心部件是红外温度传感器,A、B、C选项错误,D正确;故选择D。【能力提升】(10分钟22分)5.(7分)如图所示是一种水位自动报警器的原理示意图,当杯中水的水位到达金属块B时,出
26、现的情况是()A.L1灯亮 B.L2灯亮 C.L1、L2两灯同时亮 D.L1、L2两灯都不亮【解析】选B。当杯中的水位到达金属块B时,控制电路接通,电磁铁具有磁性,将衔铁吸下,使L2灯所在电路接通,所以L2灯亮;L1灯所在电路断开,所以L1灯不亮,故B正确,A、C、D错误。故选B。【加固训练】在如图所示的电路中,开关S是闭合的,现增大电容器A、B两极板间距,则下列说法正确的是()A.电容器的电容将减小,带电荷量不变 B.电容器的电容将减小,带电荷量增加 C.电容器的电容将不变,带电荷量也不变 D.电容器的电容将增大,带电荷量增加【解析】选A。当增大电容器A、B极板间距时,由C=知,其电容将减小
27、,而电 容器两极板间电压一定,由Q=CU知,电容器的带电荷量应减小,但由于二极管的单 向导电性,其反向电阻无穷大,可认为断路,故阻止了正负电荷的中和,故电容器 带电荷量不变。r S4kd6.(15分)某学生为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的压力(比例系数为k),如图所示,测量时先调节输出端的电压,使转换器空载时的输出电压为0;然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、质量为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)。请完成对该物体质量的测量:(1)
28、设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可调。并且使调节范围尽可能大,画出这一完整的电路(包括力电转换器在内)。(2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测物体的质量m。(3)设想实验可能会出现的问题。【解析】(1)设计的电路如图所示(2)测量步骤与结果如下:闭合开关S,调节变阻器的滑片P,使力电转换器的输出电压为零。将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上,记下此时的输出电压U0。取下砝码,将待测物体放在力电转换器的受压面上,记下此时的输出电压U。由以上测量可求出比例系数k及待测物体的质量m。因为U0=km0g,所以有k=又由于U=kmg,所以待测物体的质量为m=m0。00Um g0UU(3)实验中可能会出现的问题:待测物体的质量超过此力电转换器的量程。答案:见解析
