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第五章 传感器
人教物理选择性必修第二册
2013年12月14日，我国探月工程中的嫦娥三号怀抱玉兔号巡视器成功落月。第二天，可爱俏皮的玉免号从嫦娥三号中走出。面对陌生的环境，玉兔号是如何观察的 行走时，它是如何感知障碍和自身姿态的 经过漫漫的寒夜，它又是如何被唤醒的
玉兔号在月球上的工作离不开各式各样的传感器。其实，不只在科研领域，在人们的日常生活中，也会用到传感器以实现某种功能。要想知道这其中的道理，就要学习一些有关传感器的知识。
没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用。
——李政道
李政道
第四章 电磁振荡与电磁波
5.1
认识传感器
原来，小盒子中有一种叫作“干簧管”的元件(图5.1-1甲)，它的结构很简单，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时(图5.1-1乙)，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，探纵开关的是磁场这只看不见的“手”。
干簧管
由两个软磁性簧片组成
原理：当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化，相互吸引而接通电路，干簧管能起到开关的作用。
干簧管是一种能感知磁场的传感器，它利用磁场来控制电路的通断。
干簧管是一种能够感知磁场的传感器。那么，到底什么是传感器
一 神奇的传感器
下面我们来看几个生活中的实例。
晚上，当我们进入黑洞洞的楼道时，一跺脚，楼道灯自动开启，但是这种情况在白天却不会发生。这是为什么 这是因为楼道的灯安装了“声控一光控”开关。这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，声控一光控开关才会接通，灯才会亮。
一些宾馆安装了自动门(图5.1-2)，当人走近时，门会自动打开；当人离开时，门会自动关闭。自动门为什么会这样“懂礼仪”呢 原来，有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出使自动门开关启动的命令。这种装置就是红外线传感器。
交通警察在检查司机是否酒后开车时，会让司机对着“便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度(图5.1-3)。这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”，它能感知乙醇的浓度。
上述例子中都应用了传感器，传感器的功能与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能相似。人类是借助感觉器官从外界获取信息的，并由神经系统将这些信号传递给大脑，在人脑中将这些信息进行处理，然后发出命令传递给肌体，做出动作。如果用机器完成这一过程，计算机相当于人的大脑，执行机构相当于人的肌体，传感器就相当于人的“五官”(图5.1-4)。
实际上，有些传感器还具有“超人”的本领。这里所说的“超人”的本领是指传感器不仅可应用于高温、高压、辐射等恶劣环境，还可检测出人类五官不能感知的各种信息，如微弱的磁、电、离子和射线的信息等。利用传感器的这些本领，可以制成形形色色的机器人，承担人类难以直接完成的任务。
在现代技术中，传感器 (sensor) 是指这样一类器件或装置：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
传感器的工作原理
转换电路
电
信
号
敏感元件
非电信号
温度
位移
速度
压力
磁场
光照
电流
电阻
电压
电容
转换元件
传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适。生活中，你还发现哪些地方使用了传感器
请你根据需要大胆地设想：在家里、学校和生活的社区，什么地方应该安装传感器 这些传感器要起什么作用
楼道灯的声控开关、火灾报警器、电视机的遥控器等都使用了传感器.
可以在学校门口设置传感器对来往车辆进行测速，提醒来往车辆提前减速，保护学生安全.
二 传感器的种类
传感器的种类很多(图5.1-5)，作为一门知识密集型技术，它与许多学科有关：有的利用物质的物理特性或物理效应制作而成，如力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器；有的利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号，如离子传感器、气体传感器等化学传感器；有的利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传感器，细胞传感器等生物传感器。
在林林总总的传感器世界中，大多数传感器是以物理原理为基础制作的。这类传感器种类最多，应用领域也最广泛。例如，一部普通的智能手机中就安装有十几种传感器(图5.1-6)，能感受声音、像、压力、磁场、加速度等各种信息。
它们原理各异，分类方法也不同。根据被测量的不同，可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器；根据具体工作原理的不同，可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
三 传感器的组成与应用模式
传感器种类繁多，工作原理各异，外观和结构也千差万别，但是，传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。
敏感元件是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分；转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。
应该指出的是，并不是所有传感器都能够明显地区分敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电学量它就同时兼为转换元件。这种敏感元件和转换元件二者合一的传感器是很多的。例如，热电偶 (图5.1-7)、压电晶体等都是这种形式的传感器。
被测非电学量信号经敏感元件和转换元件作用后，所输出的电信号一般都很微弱，难以带动执行机构去实现控制动作，因此要通过信号调整与转换电路把这个电信号放大。如果需要远距离传送，还要把它转换成其他电信号以抵御外界干扰。
如何应用从传感器获得的信号呢
可以用指针式电表或数字屏等显示测量的数据；也可以用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门、开通或关闭电动机等动作；还可以由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。概括起来，传感器应用的一般模式可如图5.1-8所示。
话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器(图5.1-9甲)。图5.1-9乙是电容式话筒的组成结构示意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜片后相距几十微米有一个金属片(固定电极)，它们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极
板间距离的关系来工作。你能根
据它的工作过程说说各组成元件
的作用吗
声波使振动膜片发生振动，振动膜片作为敏感元件，感受声音信号的变化，与固定电极组成的电容器相当于转换元件，将声音信号的强弱转换成电容器的电容变化。把电容器接入含有电阻、电源的转换电路中，由于电容器的电容不断发生变化，电容器产生充、放电电流，加载在电阻R两端的电压也随之变化。这样，信号最后经过转换电路就被输出为便于测量和处理的电压信号，用于显示、记录等。
机器人
1920年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小说中构思了一个机器人，名字叫Robot。它可以不吃饭，却能不知疲倦地工作，展现了人类持续多年的一种愿望。
1947年，世界上第一个机器人在美国诞生。这是一台为反应堆搬运核燃料的简单机器，代替人来从事危险的工作。此后，由于现代制造业的需求，有关机器人的研究迅速发展起来。
图5.1-10是几个机器人的实例。
根据机器人的结构和功能，可以粗略地把它们分为三代。第一代机器人对外界没有感觉，只能按照编好的程序，由内部的计算机安排它的动作，例如汽车生产线上用于点焊的机器人。第二代机器人有了感觉，它身上安装的传感器能起到人的感官的作用。例如，利用光传感器能让机器人沿着地面上画出的白色轨迹运动;利用图像传感器能让机器人产生视觉来识别烧杯和铁块，当它的手拿着烧杯时，力传感器产生触觉会使它的手指感知压力和滑动，从而既能拿住又不会捏碎。第三代是智能机器人，是人们梦寐以求的，也是当前正在努力发展的。它以人工智能理论和现代信息技术为基础，能够自主地从经验中学习，不断完善自身的程序，增强自己的功能。
机器人的种类很多。应用最广泛的是工业机器人，它们能把人从繁重的体力劳动和危险的环境中解放出来，极大地提高了生产率。服务型机器人主要用于清洁、加油、导盲、抢险等方面。它们通常具有一个移动平台，其上有操作臂，还安装了触觉、视觉、听觉及超声测距等传感器能够识别周边的环境、判断自己的运动。医疗机器人是近些年来发展迅速的一个新领域。医疗机器人能够帮助医生做复杂的手术，减轻医生的疲劳，保证手术的精确和成功。空间机器人是最复杂、最昂贵的机器人，用于探测太空，我国探月工程中使用的玉兔号巡视器(章首图)就是一个典型代表。
随着机器人技术的发展与进步，机器人变得越来越“聪明”，它们是否有一天会完全取代人类的工作 人类的前途是否堪忧 实际上，科技本身并没有好坏之分，是人类决定了如何去使用它。面对科技进步，人类应该衡量和思考，该如何运用这些技术才会对社会更有益，使世界变得更加美好。
1.什么是传感器 它的作用是什么 简述一下你对传感器的认识和理解。
解：传感器是一类可以感受力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转化为便于传送和处理的可用信号输出的器件或装置.
2. 请列举一个你认为很“神奇”的利用传感器工作的例子，简单说明它的原理。
解：冰箱内通常安装温度传感器来测量冰箱内的温度. 当温度高于设定值，制冷系统工作使温度降低；当温度达到设定值时，制冷系统关闭以节约能源.
3. 以下工作中，你认为要用什么传感器
(1) 让孵化器在一定温度下孵化禽蛋；
(2) 电梯超出负载时，发出报警提示；
(3) 使汽车排放符合国家标准的尾气。
解：(1)温度传感器 (2)压力传感器 (3) 化学成分传感器.
结束
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