资源简介

第一节　传感器及其工作原理
第二节　传感器的应用
[学习目标]
1.通过对传感器的学习,知道传感器的概念及分类,掌握传感器的工作原理及敏感元件的特性.
2.体会传感器原理及应用在生活、生产、科技和社会中的价值,设计并制作简单的自动控制装置,增强学习兴趣,培养良好的科学态度与责任.
知识点一　传感器
1.传感器的定义
能够感受到被测量的信息,并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置,称为传感器.传感器通常是将非电学量转化为电学量.
注:传感器材料一般分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等.
2.传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成.
(1)敏感元件
直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于被测量的物理量.
(2)转换元件
将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出.
(3)转换电路
将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量.
3.电容式话筒
声波是被测量,声波传到振动膜片上,振动膜片是敏感元件,振动膜片和固定电极组成的话筒是转换元件,电源、电阻组成的是转换电路,电压表测得的电压是电学量,三个部分组成了一个传感器.
易错辨析
(1)传感器通常是把非电学量转换为电学量.(　√　)
(2)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量.(　×　)
(3)所有传感器都是由半导体材料制成的.(　×　)
(4)转换元件直接感受被测量.(　×　)
(5)水银温度计是一种传感器.(　×　)
知识点二　传感器的分类
1.传感器的分类
(1)根据检测量的不同,传感器可以分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等.
(2)物理传感器
物理传感器主要利用被测物理量(如压力、温度、位移、亮度等)变化时,敏感元件的电学量(如电阻、电压、电容等)发生明显变化的特性制成,如压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等.
(3)化学传感器
化学传感器主要是基于化学反应的原理,将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器,如半导体气体传感器、湿敏传感器、离子传感器等.
(4)生物传感器
生物传感器是一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能,并将其转换为电信号进行检测的传感器,如酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等.生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于感受器中含有生命物质.
2.温度传感器的原理
(1)定义
温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置.
(2)常见温度传感器的敏感元件
有热敏电阻、热电偶、热双金属片等.
(3)热敏电阻
①特性:利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性来实现温度测量的.
②热敏电阻的分类
第一类,正温度系数热敏电阻,它的阻值随温度的上升而变大.
第二类,负温度系数热敏电阻,它的阻值随温度的上升而变小.
第三类,临界温度系数热敏电阻,它的阻值在很小的温度范围内急剧变小.
(4)原理:只要知道了热敏电阻的温度特性,即可依据电阻与温度的关系,将温度这一热学量转化为电阻阻值这一电学量.
3.光电传感器的原理
(1)定义
光电传感器是一种能够感受光信号,并按照一定规律把光信号转化成电信号的传感器.
(2)光电传感器的敏感元件是光敏电阻.
(3)光敏电阻的特性
无光照射时,光敏电阻的阻值较大;有光照射时,光敏电阻的阻值较小,并且随光照的增强而减小.根据它们的电阻特性即电阻与光照强度的关系,可以将光照强度这一光学量转化为电阻这一电学量,这就是光电传感器的原理.
易错辨析
(1)热敏电阻的阻值一定随温度的升高而减小.(　×　)
(2)光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量.(　√　)
(3)正温度系数热敏电阻,它的阻值随温度的上升而减小.(　×　)
知识点三　探究热敏电阻的电阻特性
1.(1)实验目的
①探究热敏电阻的特性.
②利用作图法处理实验数据.
(2)实验原理
热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,通过实验确定其电阻随温度变化的规律.
(3)实验器材
热敏电阻、欧姆表、温度计、烧杯、铁架台、酒精灯、开关、导线若干.
(4)实验步骤
①如图甲所示,烧杯中加入适当的水,并放置在铁架台适当的位置.
②将热敏电阻连入电路,并完全浸入水中.
③将欧姆表连入电路,并选择适当的倍率.
④用酒精灯给水加热,测出水中各个温度下,欧姆表的读数,并将不同温度和对应的热敏电阻的阻值填入表中.
物理量 实验次数
1 2 3 4 5
温度t/℃
阻值R/Ω
(5)数据处理.
根据实验数据,在如图乙所示方格纸上,作出热敏电阻的阻值随温度变化的电阻—温度特性曲线.
乙
(6)实验结论
根据实验数据得到热敏电阻的阻值随温度变化的图像如图丙所示.说明我们实验用的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,这是负温度系数的热敏电阻.
[例1] (热敏电阻的特性实验)某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性.现有器材:直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等.
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性,请在如图甲所示的实物图上
连线.
(2)实验的主要步骤:
①正确连接电路,在保温容器中注入适量冷水,接通电源,调节并记录电源输出的电流的值.
②在保温容器中添加少量热水,待温度稳定后,闭合开关,记录　　　　和　　　　的示数,断开开关.
③重复第②步操作若干次,测得多组数据.
(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值,并据此绘得如图乙所示的R-t关系图线,根据图线可知该热敏电阻的R-t关系式为R=　　　　+　　　　t(Ω).
【答案】 (1)图见解析　(2)②温度计　电压表 (3)100　0.4
【解析】 (1)实物连线如图.
(2)②改变温度后,热敏电阻阻值改变,电压表示数改变,故应记录温度计的示数和电压表的示数.
(3)由题图乙可知R与t呈线性关系,且纵轴上截距(当t=0 ℃时)R=100 Ω;图线斜率k=≈0.4,所以R=100+0.4t(Ω).
正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻的特点
(1)负温度系数热敏电阻:用半导体材料制成,阻值随温度升高而减小的电阻.图线Ⅰ为某负温度系数热敏电阻的电阻—温度特性曲线.
(2)正温度系数热敏电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线Ⅱ所示,这样的电阻也可以制作温度传感器.
知识点四　传感器的应用
[例2] 目前,传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域,关于传感器的应用,下列说法正确的是(　　)
[A] 自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器
[B] 走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器
[C] 发光二极管是一种常用的光传感器,其作用是将光信号转换为电信号
[D] 霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
【答案】 A
【解析】 自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器,故A正确;在天黑楼道里出现声音时,楼道里的灯才亮,说明它的控制电路中既有声音传感器,又有光传感器,但红外报警装置是应用了红外线传感器,故B错误;发光二极管不是光传感器,故C错误;霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故D错误.
[例3] (传感器在实际应用中的电路分析)(多选)如图所示,图甲是录音机的录音电路原理图,图乙是研究自感现象的实验电路图,图丙是光电传感的火灾报警器的部分电路图,图丁是电容式话筒的电路原理图.下列说法正确的是(　　)
[A] 图甲中录音机录音时,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] 图乙电路中,开关断开的瞬间,灯泡会突然闪亮一下,并在开关处产生电火花
[C] 图丙电路中,当有烟雾进入外罩内时,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] 图丁电路中,当声波使振动膜片振动时,电容发生变化,会在电路中产生变化的电流
【答案】 ACD
【解析】 磁带录音机录音时,话筒将声音先转变成大小变化的电流,即声信号转换为电信号,送到录音磁头;由题图甲可知,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,故A正确;题图乙电路中,开关断开的瞬间,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,电极之间的电阻会随之变化,当有烟雾进入外罩内时,光电三极管上就会因烟雾对光的散射而有光的照射,表现出电阻的变化,故C正确;电容式话筒利用振动膜片接收空气振动信号,振动膜片与固定电极之间形成一个电容器,两者之间的距离变化会导致其电容大小的变化,在电容器两端施加固定频率及大小的电压,通过电容器的电流就会变化,故D正确.
[例4] (压力传感器的应用分析)传感器在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中虚线框内所示,它主要由压力传感器R(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.压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示.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4.8 V,g取10 m/s2.请回答:
压力 F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 …
电阻 R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
(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20 mA,则这个人的体重是　　　kg.
【答案】 (1)1.6×10-2　(2)50
【解析】 (1)由题知,踏板空载时,压力传感器的电阻R=300 Ω,由欧姆定律可得此时电流
I== A=1.6×10-2 A.
(2)当电流I=20 mA=20×10-3 A时,压力传感器的电阻R== Ω=240 Ω,对应表格可知,人对压力传感器的压力为500 N,则这个人的体重为50 kg.
[例5] (传感器电路的动态分析)一种呼气酒精测试仪的原理图如图所示,其中酒精气体传感器的阻值r′的倒数与接触到的酒精气体的浓度c成正比.下列说法正确的是(　　)
[A] 电压表的示数无法表示浓度c的变化
[B] 电压表的示数越大,表示浓度c越小
[C] 酒精气体传感器把电学量转换成非电学量
[D] 当醉酒人员对传感器呼气时,电压表示数变大
【答案】 D
【解析】 酒精气体传感器和定值电阻串联在电路中,电压表测R0两端的电压,酒精气体传感器的阻值的倒数与酒精气体的浓度成正比,即测试的酒精气体浓度越大则传感器的电阻越小,根据欧姆定律可知电路中的电流越大,R0两端的电压越大,所以U越大则表示c越大,A、B错误,D正确;酒精气体传感器把非电学量(酒精气体浓度)转换成电学量(电压),C错误.
[例6] (霍尔元件传感器)(多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件,广泛应用于测量和自动控制等领域.图甲是霍尔元件的工作原理示意图,实验表明,铜以及大多数金属的载流子是带负电荷的电子,但锌中的载流子带的却是正电荷.自行车的速度计的工作原理主要依靠的就是安装在自行车前轮上的一块磁铁,车轮每转一周,这块磁铁就靠近霍尔传感器一次,这样便可测出某段时间内的脉冲数.若自行车前轮的半径为R,磁铁到轴的距离为r,下列说法正确的是(　　 )
[A] 若霍尔元件材料使用的是锌,通入如图甲所示的电流后,C端电势高于D端电势
[B] 在磁铁从如图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中,C、D间的电势差越来
越大
[C] 若自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N,此时的骑行速度为2πNr
[D] 由于前轮漏气,导致前轮半径比录入到速度计中的参数偏小,则速度计测得的骑行
速度偏大
【答案】 ABD
【解析】 若霍尔元件材料使用的是锌,则载流子带正电,通入如题图甲所示的电流后,根据左手定则可知,正电荷受力向左,偏向C端,故C端电势高于D端电势,选项A正确;根据q=qvB,可知U=Bdv,在磁铁从题图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中,B逐渐变大,则C、D间的电势差越来越大,选项B正确;自行车骑行过程中测得单位时间的脉冲数为N,此时的骑行速度为2πRN,选项C错误;由于前轮漏气,导致前轮半径比录入到速度计中的参数偏小,则前轮转动的角速度会偏大,单位时间测得的脉冲数偏大,速度计测得的骑行速度偏大,选项D正确.
课时作业(二十八)　传感器及其工作原理　传感器的应用
(分值:80分)
(选择题每题6分)
知识点一　传感器
1.下列关于传感器的说法正确的是(　　)
[A] 所有传感器都是由金属材料制成的
[B] 传感器不是电视遥控接收器的主要元件
[C] 话筒中的传感器将电信号转换为声信号
[D] 传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断
【答案】 D
【解析】 传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等,A错误;电视
遥控接收器的主要元件是红外线传感器,B错误;话筒中的传感器是声传感器,它将声信号转换为电信号,C错误;传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断,
D正确.
2.关于传感器工作的一般流程,下列说法正确的是(　　)
[A] 非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
[B] 电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
[C] 非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
[D] 非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
【答案】 C
【解析】 传感器工作的一般流程为非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量,选项A、B、D错误,
C正确.
知识点二　传感器的原理及在实际生产生活中的应用
3.(多选)话筒内有将声音信号转换为电信号的传感器.其中有一种是动圈式的,如图所示.在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永久磁铁的磁场中.声波使膜片振动时,就会将声音信号转变为电信号.下列说法正确的是(　　)
[A] 该传感器是利用电磁感应原理工作的
[B] 该传感器是利用电流的磁效应工作的
[C] 膜片振动时线圈中产生感应电动势
[D] 膜片静止不动时线圈中产生感应电动势
【答案】 AC
【解析】 声波使膜片振动时,弹性膜片带动线圈在磁场中做切割磁感线运动,线圈中产生感应电流,声音信号转变为电信号,该传感器是利用电磁感应原理工作的,故A正确,B错误;膜片振动时,弹性膜片带动线圈在磁场中做切割磁感线运动,线圈中产生感应电动势,故C正确;膜片静止不动时,线圈中的磁通量不变,线圈中不产生感应电动势,故D错误.
4.(2025·广东佛山高二期中)智能手机屏幕的光线过强会对眼睛有害,因此手机都有一项可以调节亮度的功能,该功能既可以自动调节,也可以手动调节.某兴趣小组为了模拟该功能,设计了如图所示的电路.已知光敏电阻在光照增强时,电阻会减小.闭合开关,下列说法正确的是(　　)
[A] 仅光照变强,小灯泡变暗
[B] 仅光照变弱,小灯泡亮度不变
[C] 仅将滑片向a端滑动,小灯泡变暗
[D] 仅将滑片向b端滑动,小灯泡变暗
【答案】 D
【解析】 仅光照变强,光敏电阻的阻值减小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的电流增大,小灯泡变亮,A错误;仅光照变弱,光敏电阻的阻值增大,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的电流减小,小灯泡变暗,B错误;仅将滑片向a端滑动,滑动变阻器接入电路中的阻值变小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的电流增大,小灯泡变亮,C错误;仅将滑片向b端滑动,滑动变阻器接入电路中的阻值变大,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的电流减小,小灯泡变暗,D正确.
5.(多选)利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图如图所示.R是光敏电阻,R0是保护定值电阻,日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,G、H接入电路,太阳能电池板给蓄电池充电,光线不足时,衔铁被弹簧拉起,E、F接入电路,蓄电池给LED路灯供电,路灯亮起.下列关于该电路的分析正确的是(　　)
[A] 该光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小
[B] 增大电源电动势可以增加路灯照明时间
[C] 并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
[D] 增大保护电阻R0的阻值可延长每天路灯照明时间
【答案】 AD
【解析】 当电磁继电器内的电流大时,衔铁被吸下来,蓄电池开始充电.当电流小时,衔铁被拉起来,触点与E、F接触,蓄电池给LED路灯供电,根据闭合电路欧姆定律,当日光充足时光敏电阻R减小,电流增大,衔铁被吸下来,该光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小,故A正确;电动势增大、电阻不变的情况下,电流增大,电磁继电器吸下衔铁,路灯照明时间减少,故B错误;LED路灯的盏数不影响控制电路,蓄电池容量一定,可能缩短照明时间,故C错误;增大保护电阻R0,减小了电流,延长了路灯照明时间,故D正确.
6.(多选)电饭锅的电路图如图甲所示,S1是一个限温开关,其内部结构如图乙所示,按下此开关按钮,两触点闭合,当温度达到居里点(103 ℃)时此开关会自动断开.S2是一个自动温控开关,当温度低于70 ℃时会自动闭合,当温度高于80 ℃时会自动断开,R1是限流电阻,R2是加热电阻.下列说法正确的是(　　)
[A] 当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时,由于感温磁体失去了磁性,不能被永磁体吸引,在弹簧的作用下,两触点断开
[B] 开始煮饭时不按下限温开关S1,一样可以把饭煮熟
[C] 电饭锅的饭煮熟后可以长时间保持米饭的温度在70 ℃到80 ℃之间
[D] 用电饭锅烧水,当水沸腾后限温开关S1也会自动断开
【答案】 AC
【解析】 当感温磁体的温度达到居里点(103 ℃)时,由于感温磁体失去了磁性,不能被永磁体吸引,从而在弹簧的作用下,使得两触点断开,A正确.如果开始煮饭时不按下限温开关S1,由于S2的作用,当锅内温度低于70 ℃时S2会自动闭合,从而对锅加热,但当温度高于80 ℃时S2会自动断开,使电饭锅处于保温状态,因此锅内的温度控制在70 ℃到80 ℃之间,而无法将饭煮熟,B错误,C正确.用电饭锅烧水,水沸腾后水的温度会保持100 ℃不变,锅底温度不能达到居里点(103 ℃),因此限温开关S1不会自动断开,D错误.
7.一火警报警电路的示意图如图,R3为用半导体热敏材料制成的传感器,这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小.值班室的显示器为电路中的电流表,电源两极之间接一报警器.当传感器R3所在处出现火情时,电流表显示的电流I、报警器两端的电压U的变化情况分别是(　　)
[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变大
【答案】 B
【解析】 当传感器R3所在处出现火情时,半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小,R3的电阻减小,报警器两端的电压变小,与传感器并联的R2的电流也变小,电流表显示的电流I变小,故B正确.
8.如图甲所示,条形码扫描笔的原理是扫描笔头在条形码上匀速移动时,遇到黑色线条,发光二极管发出的光线将被吸收,光敏三极管接收不到反射光,呈高阻抗;遇到白色间隔,光线被反射到光敏三极管,三极管呈低阻抗.光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号,信号经信号处理系统处理,即完成对条形码信息的识别,等效电路图如图乙所示,其中R为光敏三极管的等效电阻,R0为定值电阻.下列说法正确的是(　　)
[A] 当扫描笔头在黑色线条上移动时,信号处理系统获得高电压
[B] 当扫描笔头在白色间隔上移动时,信号处理系统获得低电压
[C] 扫描速度对信号处理系统接收到的电压信号无影响
[D] 扫描笔头外壳出现破损时可能无法正常工作
【答案】 D
【解析】 当扫描笔头在黑色线条上移动时,光敏三极管呈高阻抗,处于断路状态,所以R0两端的电压为零,信号处理系统获得低电压,同理,在白色间隔上移动时,电路总电阻小而电流大,因此R0两端的电压高,信号处理系统获得高电压,A、B错误;扫描速度不同,信号处理系统接收到的因同一黑色线条(白色间隔)产生的低(高)电压时间不同,C错误;外壳破损,外界光线可能会照到光敏三极管上,导致信息读取错误,D正确.
9.利用霍尔元件可以进行微小位移的测量.如图甲所示,将固定有霍尔元件的物体置于两块磁性强弱相同、同极相对放置的磁体缝隙中,建立如图乙所示的空间直角坐标系.保持沿x方向通过霍尔元件的电流I不变,当物体沿z轴方向移动时,由于不同位置处磁感应强度B不同,霍尔元件将在y轴方向的上、下表面间产生不同的霍尔电压UH.当霍尔元件处于中间位置时,磁感应强度B为零,UH为零,将该点作为位移的零点.在小范围内,磁感应强度B和坐标z成正比,这样就可以把电压表改装成测量物体微小位移的仪表.下列说法正确的是(　　)
[A] 该仪表只能测量位移的大小,无法确定位移的方向
[B] 该仪表的刻度线是不均匀的
[C] 若霍尔元件中导电的载流子为电子,则当Δz>0时,上表面电势高
[D] 电流I越大,霍尔电压UH越大
【答案】 D
【解析】 设载流子的电荷量为q,沿电流方向定向移动的平均速率为v,单位体积内自由移动的载流子数为n,霍尔元件横截面积为S,霍尔元件沿z轴厚度为a,霍尔元件沿y轴厚度为b,则电流的微观表达式为I=nqSv=nqabv,载流子在磁场中受到的洛伦兹力f=qvB,载流子在洛伦兹力作用下向上或向下移动,上、下表面间出现电势差,则载流子受到的电场力为F=q,当达到稳定状态时,洛伦兹力与电场力平衡,联立解得UH=,由UH=可知,B的方向不同时,霍尔电压的正负不同,而位移方向不同时,B的方向也不同,因此该仪表可以确定位移方向,故A错误;小范围内,磁感应强度B和坐标z成正比,由UH=可知UH与B 成正比,则UH与坐标z成正比,故刻度线是均匀的,故B错误;在Δz>0区域,B方向沿z轴负方向,用左手定则可判断电子受力方向沿y轴正方向,故电子向上移动,因电子带负电,故上表面电势低,故C错误;由UH=可知,电流I越大,霍尔电压UH越大,故D正确.
10.(12分)(2025·广东江门高二月考)半导体型呼气酒精测试仪采用氧化锡半导体作为传感器.该测试仪的原理图如图甲所示.图中R1为定值电阻,酒精气体传感器R2的阻值随酒精气体浓度的增大而减小.
(1)(4分)驾驶员呼出的酒精气体浓度越大,电压表的示数越　　　　(填“大”或“小”).
(2)(4分)酒精气体传感器R2的阻值随酒精气体浓度变化的关系曲线如图乙所示.则酒精气体浓度为0时R2的阻值为　　　　 Ω.若某司机呼气时酒精气体浓度为100 mg/m3,此时R2的阻值为　　　 　 Ω.
(3)(4分)现有一个电源,电动势为4.8 V,内阻为1 Ω;电压表的量程为0～5 V,内阻很大;定值电阻R1的阻值为60 Ω;导线若干.按图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表,则酒精气体浓度为0的刻度线应刻在电压刻度线为　 V处;酒精气体浓度为50 mg/m3应刻在电压刻度线为　　　　V处.(均保留2位小数)
【答案】 (1)大　(2)60　26或27　(3)2.38　2.85
【解析】 (1)由题意知,酒精气体浓度越大,传感器阻值越小,回路中的电流越大,可知,电压表的示数越大.
(2)由题图乙可知:酒精气体浓度为0时R2的阻值为60 Ω;
酒精气体浓度为100 mg/m3时R2的阻值为26 Ω或27 Ω.
(3)按题图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表,则酒精气体浓度为0时,电阻R2阻值最大为60 Ω,此时== V≈2.38 V
则0刻度线应刻在电压刻度线为2.38 V处;
酒精气体浓度为50 mg/m3时,电阻R2阻值为40 Ω,
此时UR1′== V≈2.85 V
酒精气体浓度为50 mg/m3应刻在电压刻度线为2.85 V处.
11.(14分)一种加速度传感器的原理示意图如图所示.质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧,电源的电动势为E,不计内阻,滑动变阻器的总阻值为R,有效长度为L,系统静止时滑片位于滑动变阻器的正中间,这时电压表指针恰好在刻度盘的正中间.
(1)(5分)求系统的加速度a(以向右为正)和电压表示数U的函数关系式;
(2)(4分)将电压表刻度改为加速度刻度后,其刻度线是均匀的还是不均匀的 为什么
(3)(5分)若电压表指针指在满刻度的位置,此时系统的加速度大小和方向如何
【答案】 (1)a=(E-2U)　(2)见解析 (3)　方向向左
【解析】 (1)当振子向左偏离中间位置s距离时,由牛顿第二定律得2ks=ma,
电压表的示数为U=E,
联立解得a=(E-2U).
(2)均匀.因为加速度a与电压表示数U呈线性关系,电压表刻度线是均匀的,故加速度刻度线也是均匀的.
(3)当滑片滑到最右端时,电压表最大示数Um=E,电压表指针指在满刻度的位置时,U=E.代入加速度表达式,解得a=-,负号表示方向向左.(共34张PPT)
第一节　传感器及其
工作原理
第二节　传感器的应用
第五章　传感器
[学习目标]　
1.通过对传感器的学习,知道传感器的概念及分类,掌握传感器的工作原理及敏感元件的特性.
2.体会传感器原理及应用在生活、生产、科技和社会中的价值,设计并制作简单的自动控制装置,增强学习兴趣,培养良好的科学态度与责任.
知识点一　传感器
1.传感器的定义
能够感受到被测量的信息,并将其按照一定的规律转化为 的器件或装置,称为传感器.传感器通常是将非电学量转化为 量.
注:传感器材料一般分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等.
可用信号
电学
2.传感器的组成
传感器一般由 、 和转换电路三部分组成.
敏感元件
(1)敏感元件
直接感受 ,并将其变换成与被测量成一定关系的易于被测量的 .
(2)转换元件
将敏感元件输出的物理量转换成 输出.
(3)转换电路
将转换元件输出的电学量转换成易于测量的 .
转换元件
被测量
物理量
电学量
电学量
声波是被测量,声波传到振动膜片上,振动膜片是 元件,振动膜片和固定电极组成的话筒是 元件,电源、电阻组成的是 电路,电压表测得的电压是电学量,三个部分组成了一个传感器.
3.电容式话筒
敏感
转换
转换
易错辨析
(1)传感器通常是把非电学量转换为电学量.(　　)
(2)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量.(　　)
(3)所有传感器都是由半导体材料制成的.(　　)
(4)转换元件直接感受被测量.(　　)
(5)水银温度计是一种传感器.(　　)
√
×
×
×
×
知识点二　传感器的分类
1.传感器的分类
(1)根据检测量的不同,传感器可以分为 、 和
等.
(2)物理传感器
物理传感器主要利用被测物理量(如压力、温度、位移、亮度等)变化时,敏感元件的电学量(如 、 、 等)发生明显变化的特性制成,如压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等.
物理传感器
化学传感器
生物传感器
电阻
电压
电容
(3)化学传感器
化学传感器主要是基于 的原理,将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器,如半导体气体传感器、湿敏传感器、离子传感器等.
(4)生物传感器
生物传感器是一种基于酶、抗体和激素等 功能,并将其转换为电信号进行检测的传感器,如酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等.生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于感受器中含有 .
化学反应
分子识别
生命物质
2.温度传感器的原理
(1)定义
温度传感器是一种将温度变化转换为 变化的装置.
(2)常见温度传感器的敏感元件
有热敏电阻、 、热双金属片等.
电学量
热电偶
(3)热敏电阻
①特性:利用半导体材料的 随 的变化而变化的特性来实现温度测量的.
②热敏电阻的分类
第一类,正温度系数热敏电阻,它的阻值随温度的上升而 .
第二类,负温度系数热敏电阻,它的阻值随温度的上升而 .
第三类,临界温度系数热敏电阻,它的阻值在很小的温度范围内 .
(4)原理:只要知道了热敏电阻的温度特性,即可依据电阻与温度的关系,将温度这一热学量转化为电阻阻值这一电学量.
阻值
温度
变大
变小
急剧变小
3.光电传感器的原理
(1)定义
光电传感器是一种能够感受光信号,并按照一定规律把光信号转化成 的传感器.
(2)光电传感器的敏感元件是 .
(3)光敏电阻的特性
无光照射时,光敏电阻的阻值 ;有光照射时,光敏电阻的阻值 ,并且随光照的增强而 .根据它们的电阻特性即电阻与光照强度的关系,可以将光照强度这一光学量转化为 这一电学量,这就是光电传感器的原理.
电信号
光敏电阻
较大
较小
减小
电阻
易错辨析
(1)热敏电阻的阻值一定随温度的升高而减小.(　　)
(2)光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量.(　　)
(3)正温度系数热敏电阻,它的阻值随温度的上升而减小.(　　)
×
√
×
知识点三　探究热敏电阻的电阻特性
1.(1)实验目的
①探究热敏电阻的特性.
②利用作图法处理实验数据.
(2)实验原理
热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,通过实验确定其电阻随温度变化的规律.
(3)实验器材
热敏电阻、欧姆表、温度计、烧杯、铁架台、酒精灯、开关、导线若干.
(4)实验步骤
①如图甲所示,烧杯中加入适当的水,并放置在铁架台适当的位置.
②将热敏电阻连入电路,并完全浸入水中.
③将欧姆表连入电路,并选择适当的倍率.
④用酒精灯给水加热,测出水中各个温度下,欧姆表的读数,并将不同温度和对应的热敏电阻的阻值填入表中.
物理量 实验次数
1 2 3 4 5
温度t/℃
阻值R/Ω
(5)数据处理.
根据实验数据,在如图乙所示方格纸上,作出热敏电阻的阻值随温度变化的电阻—温度特性曲线.
乙
(6)实验结论
根据实验数据得到热敏电阻的阻值随温度变化的图像如图丙所示.说明我们实验用的热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,这是负温度系数的热敏电阻.
[例1] (热敏电阻的特性实验)某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性.现有器材:直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等.
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性,请在如图甲所示的实物图上连线.
【答案及解析】 (1)实物连线如图.
(2)实验的主要步骤:
①正确连接电路,在保温容器中注入适量冷水,接通电源,调节并记录电源输出的电流的值.
②在保温容器中添加少量热水,待温度稳定后,闭合开关,记录　　　 　 和
　　　 　的示数,断开开关.
③重复第②步操作若干次,测得多组数据.
温度计
电压表
【解析】 (2)②改变温度后,热敏电阻阻值改变,电压表示数改变,故应记录温度计的示数和电压表的示数.
(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值,并据此绘得如图乙所示的R-t关系图线,根据图线可知该热敏电阻的R-t关系式为R=　　　+　 　t(Ω).
100
0.4
·规律总结·
正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻的特点
(1)负温度系数热敏电阻:用半导体材料制成,阻值随温度升高而减小的电阻.图线Ⅰ为某负温度系数热敏电阻的电阻—温度特性曲线.
(2)正温度系数热敏电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线Ⅱ所示,这样的电阻也可以制作温度传感器.
知识点四　传感器的应用
[例2] 目前,传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域,关于传感器的应用,下列说法正确的是(　　)
[A] 自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器
[B] 走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器
[C] 发光二极管是一种常用的光传感器,其作用是将光信号转换为电信号
[D] 霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
A
【解析】 自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器,故A正确;在天黑楼道里出现声音时,楼道里的灯才亮,说明它的控制电路中既有声音传感器,又有光传感器,但红外报警装置是应用了红外线传感器,故B错误;发光二极管不是光传感器,故C错误;霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量,故D错误.
[例3] (传感器在实际应用中的电路分析)(多选)如图所示,图甲是录音机的录音电路原理图,图乙是研究自感现象的实验电路图,图丙是光电传感的火灾报警器的部分电路图,图丁是电容式话筒的电路原理图.下列说法正确的是(　　 )
[A] 图甲中录音机录音时,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] 图乙电路中,开关断开的瞬间,灯泡会突然闪亮一下,并在开关处产生电火花
[C] 图丙电路中,当有烟雾进入外罩内时,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] 图丁电路中,当声波使振动膜片振动时,电容发生变化,会在电路中产生变化的电流
ACD
【解析】 磁带录音机录音时,话筒将声音先转变成大小变化的电流,即声信号转换为电信号,送到录音磁头;由题图甲可知,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,故A正确;题图乙电路中,开关断开的瞬间,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,电极之间的电阻会随之变化,当有烟雾进入外罩内时,光电三极管上就会因烟雾对光的散射而有光的照射,表现出电阻的变化,故C正确;电容式话筒利用振动膜片接收空气振动信号,振动膜片与固定电极之间形成一个电容器,两者之间的距离变化会导致其电容大小的变化,在电容器两端施加固定频率及大小的电压,通过电容器的电流就会变化,故D正确.
[例4] (压力传感器的应用分析)传感器在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中虚线框内所示,它主要由压力传感器R(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.压力传感器表面能承受的最大压强为1×107 Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示.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4.8 V,g取10 m/s2.请回答:
压力F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 …
电阻R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 …
(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.
1.6×10-2
(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20 mA,则这个人的体重是　　　　kg.
50
[例5] (传感器电路的动态分析)一种呼气酒精测试仪的原理图如图所示,其中酒精气体传感器的阻值r′的倒数与接触到的酒精气体的浓度c成正比.下列说法正确的是(　　)
[A] 电压表的示数无法表示浓度c的变化
[B] 电压表的示数越大,表示浓度c越小
[C] 酒精气体传感器把电学量转换成非电学量
[D] 当醉酒人员对传感器呼气时,电压表示数变大
D
【解析】 酒精气体传感器和定值电阻串联在电路中,电压表测R0两端的电压,酒精气体传感器的阻值的倒数与酒精气体的浓度成正比,即测试的酒精气体浓度越大则传感器的电阻越小,根据欧姆定律可知电路中的电流越大,
R0两端的电压越大,所以U越大则表示c越大,A、B错误,D正确;酒精气体传感器把非电学量(酒精气体浓度)转换成电学量(电压),C错误.
[例6] (霍尔元件传感器)(多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件,广泛应用于测量和自动控制等领域.图甲是霍尔元件的工作原理示意图,实验表明,铜以及大多数金属的载流子是带负电荷的电子,但锌中的载流子带的却是正电荷.自行车的速度计的工作原理主要依靠的就是安装在自行车前轮上的一块磁铁,车轮每转一周,这块磁铁就靠近霍尔传感器一次,这样便可测出某段时间内的脉冲数.若自行车前轮的半径为R,磁铁到轴的距离为r,下列说法正确的是(　 　 )
[A] 若霍尔元件材料使用的是锌,通入如图甲所示的电流后,C端电势高于D端电势
[B] 在磁铁从如图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中,C、D间的电势差越来越大
[C] 若自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N,此时的骑行速度为2πNr
[D] 由于前轮漏气,导致前轮半径比录入到速度计中的参数偏小,则速度计测得的骑行速度偏大
ABD
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