2020版高中物理 第三章 传感器 1 传感器课件 教科版选修3-2

第三章传感器1.传感器一、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_____。半导体温度磁化开关温度【思考辨析】(1)传感器的作用是将电信息转换为非电信息。()(2)白炽灯泡是传感器。()(3)监测天气变化的气象卫星用到了传感器。()(4)防烧干水壶内安装了温度传感器。()(5)热敏电阻属于转换元件。()提示:(1)×。传感器的作用是将非电信息转换为电信息。(2)×。白炽灯泡不是传感器。(3)√。气象卫星上装有将非电信息转化成电信息的装置,因此用到了传感器。(4)×。安装的是压力传感器,当水减少到一定程度,压力减小,压力传感器切断电路。(5)×。热敏电阻属于敏感元件。一对传感器的认识【典例】温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家电产品中,它是利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性工作的。如图甲中,电源的电动势E=9.0V,内电阻可忽略不计;G为灵敏电流表,内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其电阻值与温度的变化关系如图乙的R-t图线所示,闭合开关,当R的温度等于120℃时,电流表示数I1=3mA,求:世纪金榜导学号(1)电流表G的内阻Rg。(2)当电流表的示数I2=1.8mA时,热敏电阻R的温度。【解题探究】(1)由乙图可知热敏电阻与_____的关系。(2)由闭合电路的电流的变化确定_____________的变化。温度热敏电阻阻值【正确解答】(1)由图乙知热敏电阻R的温度在120℃时,电阻为2kΩ,闭合电路的电流为I1=3mA根据闭合电路欧姆定律得:Rg=-R=(-2×103)Ω=1000Ω(2)当电流表的示数I2=1.8mA时R=-Rg=(-1×103)Ω=4000Ω39310391.8101EI2EI由图乙可知当热敏电阻R阻值为4000Ω时的温度为20℃。答案:(1)1000Ω(2)20℃【核心归纳】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。【过关训练】1.关于传感器工作的一般流程,下列说法中正确的是()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【解析】选C。传感器工作的一般流程为:非电学量敏感元件转换元件转换电路电学量,因此A、B、D错,C对。2.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,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。【补偿训练】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。二三类传感器的异同和应用【典例】关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的下列说法中,正确的是世纪金榜导学号()A.物理传感器是利用材料的某种物理性质工作的,因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域B.化学传感器是利用某种化学反应来工作的,因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量C.生物传感器的适用范围广,可在任意温度条件下工作D.生物传感器由于含有生命物质,因而对使用传感器的环境条件有一定要求【解题探究】(1)各种传感器的作用是什么?提示:各种传感器的作用都是把非电学量转换成电学量。(2)各种传感器的工作原理是否相同?提示:由于不同的传感器是把不同的物理量转换为电学量,所以各种不同的传感器的工作原理不同。【正确解答】选D。不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出,故B错。物理传感器在化工领域也可以使用,如温度传感器等,故A错。生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性,故C错、D对。【核心归纳】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电压电磁感应传感器输入量输出量工作原理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【特别提醒】传感器问题的三点注意(1)不同的传感器的原理不同,但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。(2)传感器输出的电学量可能为电流、电压、电路通断等,不一定是电压。(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分,并不一定就是一个完整的传感器。【过关训练】1.传感器的种类多种多样,其性能也各不相同。空调机在室内温度达到设定的温度后,会自动停止工作,空调机内使用的传感器是()A.生物传感器B.红外传感器C.温度传感器D.压力传感器【解析】选C。空调机是根据温度调节工作状态的,所以其内部使用了温度传感器,故选项C正确。2.(2019·内江高二检测)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,在升降机中将重物放在压敏电阻上,压敏电阻接在如图甲所示的电路中,电流表示数变化如图乙所示,某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态,下列说法中正确的是()A.0～t1时间内,升降机一定匀速运动B.0～t1时间内,升降机可能匀减速上升C.t1～t2时间内,升降机可能匀速上升D.t1～t2时间内,升降机可能匀加速上升【解析】选B。因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,由图乙可知0～t1时间内,电路中的电流不变,则压敏电阻受到的压力不变,升降机可能匀速运动,也可能匀加速上升或下降,还可能匀减速上升或下降,所以选项B正确,A错误;t1～t2时间内,电路中的电流均匀变大,则压敏电阻受到的压力均匀增大,升降机可能做加速度变大的加速上升,或减速下降,故选项C、D错误。3.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世纪金榜导学号()A.方向向左,大小为B.方向向右,大小为C.方向向左,大小为2D.方向向右,大小为2【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。ksmksmksmksmFm2ksm【补偿训练】关于传感器的下列说法正确的是()A.所有传感器都是由半导体材料制成的B.金属材料也可以制成传感器C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D.以上说法都不正确【解析】选B。半导体材料可以制成传感器,其他材料也可以制成传感器,所以A、D错误,B正确。传感器不但能感知电压的变化,还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量的变化,所以C错。【拓展例题】考查内容:传感器与圆周运动知识综合【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=________。【正确解答】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=2πRk。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,已知单位时间内的脉冲数为n,所以单位时间内齿轮转动圈为。由于齿轮与车轮同轴相连,它们在单位时间内转动圈数nP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=2πRk′,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PnP2RnP2RNPNP2RnP2RNP