2020版高中物理 第5章 传感器及其应用 1 揭开传感器的“面纱”课件 鲁科版选修3-2

第5章传感器及其应用第1节揭开传感器的“面纱”一、什么是传感器1.定义:能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成_______的器件或装置。2.作用:传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息采集和转化任务,把_______量转化为_____量。电信号非电学电学二、种类繁多的传感器1.传感器的分类:(1)物理传感器:①工作原理:利用物质的物理性质和_________感知并检测出待测对象信息。②特点:发展快、品种多、应用广等。物理效应(2)化学传感器:①工作原理:利用化学反应_______________。②特点:广泛应用于环保、火灾报警、医疗卫生、家用电器等。识别和检测信息(3)生物传感器:①工作原理:利用生物化学反应_______________。②特点:专一性好、易操作、设备简单、测量__________、适用范围广。识别和检测信息快速准确2.传感器的一般结构:【思考辨析】(1)传感器的作用是将电学量转换为非电学量。()(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)所有传感器的工作原理都一样。()(5)传感器内部一定有某种转换元件。()提示:(1)×。传感器的作用是将非电学量转换为电学量。(2)×。白炽灯泡不是传感器。(3)√。气象卫星上装有将非电学量转化成电学量的装置,因此用到了传感器。(4)×。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。(5)√。传感器内部一定有某种转换元件。一传感器的构成及作用考查角度1传感器的工作原理【典例1】(2019·福州高二检测)关于传感器,下列说法正确的是世纪金榜导学号()A.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的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,如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计,所以A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,所以C错误。【核心归纳】传感器的工作原理:传感器感受的通常是非电学量,如力、温度、光、声、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电学量,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,再送给控制系统产生各种控制动作。考查角度2传感器的构成及作用【典例2】传感器是一种采集信息的重要器件。如图所示为测定压力的电容式传感器,A为固定电极,B为可动电极,组成一个电容大小可变的电容器。可动电极两端固定,当待测压力施加在可动电极上时,可动电极发生形变,从而改变了电容器的电容。现将此电容式传感器与零刻度在中央的灵敏电流表和电源串联成闭合电路①，已知电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏转②。当待测压力增大时③（）世纪金榜导学号A.电容器的电容将减小B.灵敏电流表指针在正中央零刻度处C.灵敏电流表指针向左偏转D.灵敏电流表指针向右偏转【审题关键】序号信息提取①电容器两端保持电压不变②说明了电流方向的判断标准③电压增大,两极板的间距变小【解析】选D。压力增大,则电容器两极板的间距变小,电容变大。因为电容器两极板间电压不变,所以电容器要充电,电流从正接线柱到负接线柱流过电流表,指针向右偏。【核心归纳】1.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组成,有时还需要辅助电源。2.各组成部分的作用:(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: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非电学量(如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等)转换成易于测量的电学量(如电压、电流、电阻等)。【过关训练】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.已知磁敏电阻在没有磁场时电阻很小,有磁场时电阻变大,并且磁场越强阻值越大。为探测磁场的有无,利用磁敏电阻作为传感器设计了如图所示的电路,电源的电动势E和内阻r不变,在没有磁场时调节变阻器R使电灯L正常发光,若探测装置从无磁场区进入强磁场区。则()A.电灯L变暗B.电灯L亮度不变C.电流表的示数增大D.电流表的示数减小【解析】选D。探测装置从无磁场区进入强磁场区,磁敏电阻阻值变大,则闭合电路的总电阻R总变大,由闭合电路欧姆定律知,电路中的电流I=减小,电流表的示数减小,故选项C错误、选项D正确;由U灯=E-Ir可知U灯变大,电灯L变亮,故选项A、B错误。ER总【补偿训练】1.(多选)关于传感器,下列说法正确的是()A.传感器是将非电学量转化为电学量的装置B.压力传感器是将力学量转化为电学量的装置C.话筒中的传感器将电信号转化为声音信号D.传感器广泛应用于信息采集系统【解析】选A、B、D。传感器是这样一类元件:它是能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成电信息的器件或装置,即将非电学量转化为电学量的元件,故A对;压力传感器就是将力学量转化为电学量的装置,故B对;话筒中的传感器是声传感器,它将声音信号转化为电信号,不是将电信号转化为声音信号,故C错;传感器应用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息采集和转化任务,故D对。2.下列关于传感器说法正确的有()A.通常传感器可以直接用来进行自动控制B.传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量C.传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量D.传感器是将信息转化为电压输出【解析】选B。通常传感器输出的电学信号非常微弱,要经过放大,再送给控制系统产生各种控制动作,A错误;传感器通过采集力、温度、光、声、磁场、化学成分等信息,按一定规律转换为电压、电流、电阻等电学量或电路的通断,传感器并不能将所有非电学信号都转换为电学量,故B正确,C错误;传感器既可以将信息转化为电压输出,也可以转化为电流、电阻等输出,D错误。3.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二三类传感器的异同及常见传感器的应用考查角度1三类传感器的异同【典例1】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()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【解析】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】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。【易错提醒】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。考查角度2常见传感器的应用【典例2】(多选)传感器是一种采集信息的重要器件,如图所示是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路,当待测压力F作用于可动膜片电极上时,以下说法中正确的是世纪金榜导学号()A.当F向上压膜片电极时,电容将减小B.当F向上压膜片电极时,电容将增大C.若电流表有示数,则压力F发生变化D.若电流表有示数,则压力F不发生变化【解析】选B、C。测定压力的传感器,实际上是由固定电极和膜片电极组成的平行板电容器,当F向上压膜片电极时,极板间距离d减小,由C=可知,电容C将增大,故B是正确的;若电流表有示数,说明电容C在变化,由此推测压力F在发生变化,故C正确。S4kd【核心归纳】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传感器输入量输出量工作原理加速度传感器加速度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【过关训练】1.一同学在沿竖直方向运行的电梯中做实验,将重物置于放在电梯水平地板上的压力传感器的表面;将加速度传感器固定于电梯内。在电梯运行过程中加速度传感器的示数a随时间t变化的图线如图所示,以竖直向上方向为a的正方向,则以下判断正确的是()A.t=0到4s的时间段内压力传感器的示数小于重物的重力值B.t=7s到10s的时间段内压力传感器的示数大于重物的重力值C.t=2s时压力传感器的示数是重物重力值的2倍D.t=8.5s时压力传感器的示数是重物重力值的0.7倍【解析】选D。由图可知,则t=0到4s的时间段内物体的加速度为向上的方向,则物体处于超重状态,则压力传感器的示数大于重物的重力值,选项A错误;t=7s到10s的时间段内物体的加速度为向下的方向,物体处于失重状态,故压力传感器的示数小于重物的重力值,选项B错误;t=2s时物体的加速度为向上的2m/s2,根据牛顿第二定律可知:FN-mg=ma,解得FN=1.2mg,选项C错误;t=8.5s时物体的加速度为向下的3m/s2,根据牛顿第二定律可知:mg-FN=ma,解得FN=0.7mg,则压力传感器的示数是重物重力值的0.7倍,选项D正确;故选D。2.(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法中正确的是()A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化较大,这只元件一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变化,这只元件一定是定值电阻C.用黑纸包住元件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D.用黑纸包住元件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【解析】选A、C。热敏电阻的阻值随温度变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度变化;光敏电阻的阻值随光照变化而变化,定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照变化。故正确答案为A、C。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()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2ksmksmksmksm【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。F2k