2018-2019学度高中创新设计物理教科版3-2学案：第三章1传感器

2018-2019学度高中创新设计物理教科版3-2学案：

第三章1传感器

一、传感器

1.定义

把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置.

2.结构

电信息

非电信息――→

(1)敏感元件：能直接感受非电信息，如压力、光照、温度、磁场、气体等，并将这些信息变换成易于测量的物理量，形成电信号.

(2)处理电路：把微小电信号进行放大，并除去干扰信号，使敏感元件输出的电信号转变成便于显示、记录、处理和控制的电学量(如电压、电流和频率等)，这类电路称为处理电路. 3.传感器的原理

传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的大多是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作.

4.在分析传感器时要明确

(1)核心元件是什么；

(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；

(3)是如何显示的或如何控制开关的.

深度思考

传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用？

例1如图1所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，声音信号被话筒转换为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的()

图1

A．距离变化B．正对面积变化

C．介质变化D．电压变化

解析在声音信号转换为电信号过程中介电常数没变，正对面积未变．振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转换为电信号，故A选项正确．

例

2 传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用.有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图2中的虚线框所示，它主要由压力传感器R (电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.

图2

压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa ，且已知压力传感器R 的电阻与所受压力的关系如下表所示.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

4.8V ，取g ＝10m/s 2.请回答：

(1)(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20mA ，则这个人的体重是________kg.

解析 (1)由题图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R ＝300Ω，此时A 中电流I ＝U R ＝4.8300

A ＝1.6×10－2A.

(2)当电流I ＝20mA ＝20×10－3A 时，压力传感器的电阻R ＝U I ＝ 4.820×10－3

Ω＝240Ω，对应表格中，这个人的体重为50kg.

传感器问题的分析思路

不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化.因此，我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化.

二、敏感元件的原理

1.原理

利用物理学中能直接感受到的非电信息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：基于力、热、光、电磁和声等物理效应.

(2)化学类：基于化学反应的原理.

(3)生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能.

3.半导体热敏电阻的热敏特性：

热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大，根据它具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量.

4.干簧管是一种能感知磁场的敏感元件.当磁力大于簧片的弹力时，两者紧密地接触；当磁力小于簧片的弹力时，两者分开.因此，干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关.

例

3在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件.某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中，安装好如图3所示装置.向杯内加入冷水，温度计的示数为20℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1.然后向杯内加入热水，温度计的示数为60℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是()

图3

A.应选用电流挡，温度升高换用大量程测量

B.应选用电流挡，温度升高换用小量程测量

C.应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡

D.应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡

解析多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源，故不能用电流表，A、B均错；当温度升高时，多用电表指针偏转角度较大，说明热敏电阻的阻值变小了，应该换用倍率小的挡，C错误，D正确.

例

4关于干簧管，下列说法中正确的是()

A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用

B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的

C.干簧管接入电路中相当于开关的作用

D.干簧管能够感知磁场

解析干簧管是感知磁场的元件，接入电路中相当于开关的作用，选C、D.

1.(对传感器的理解)关于传感器，下列说法正确的是()

A.金属材料不可以制成传感器

B.话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号

C.传感器都是通过感知电压的变化来传递信号的

D.所有传感器的材料都是由半导体材料做成的

解析金属材料也可以制成传感器，所以A错误；动圈式话筒是通电导体在磁场中受力，变