高考一轮复习学案10.4传感器的工作原理及其应用

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1、第4课时传感器的工作原理及其应用基础知识归纳1.传感器及其工作原理(1)传感器的定义：有一些元件能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换成电压、电流等电学量，或转换为电路的通断，我们把这种元件叫做传感器.它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了.(2)传感器的组成：传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为电信号，通过输出部分输出，然后经过控制器分析处理.(3)制作传感器需要的元件：光敏电阻：当光照增强时，电阻阻值减小；光照减弱时，电阻阻值增大.能够把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量

2、.热敏电阻与金属热电阻：能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大.霍尔元件：它能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.霍尔电压UH.其中k为霍尔系数，其大小与薄片元件的材料有关，d为元件厚度，I为通电电流，B为加在元件上的磁感应强度，如图所示.应变片：它能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量.干簧管：它能够将磁场这个非电学量转换成电路的通断.双金属片：它能将温度这个热学量转换成电路的通断.2.传感器工作原理3.传感器的应用及实例(1)力传感器的应用电子秤：它是由金属梁和应变片组成的，应变片是一种敏感元件，多用半

3、导体材料制成.(2)声传感器的应用话筒：它是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号.(3)温度传感器的应用电熨斗：它装有双金属片温度传感器，其作用是控制电路的通断.2 / 14(4)温度传感器的应用电饭锅：它的主要元件是感温铁氧体.(5)温度传感器的应用测温仪：它可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来.测温仪中的测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶，还可以是红外线敏感元件等.(6)光传感器的应用鼠标器、火灾报警器：机械式鼠标器内的码盘两侧分别装有红外发射管和红外接收管，两个红外管就是两个光传感器；有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔的罩子内装有发

4、光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.(7)应用实例：光控开关和温度报警器.重点难点突破一、热敏电阻与金属热电阻有哪些区别 项目电阻导电原理电阻随温度变化优点热敏电阻自由电子和空穴等载流子灵敏度较好金属热电阻自由电子的定向移动化学稳定性好，测量范围大二、电容式传感器的工作原理电容器的电容决定于极板的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素.如果某一物理量(如角度、位移x，深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称电容式传感器.如图所示是测量液面高度h的电容式传感器.在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入

5、导电溶液中，导线芯和导电溶液构成电容的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质.液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化.知道电容C的变化，就可以知道液面高度h的变化情况.如图所示是用来测定角度的电容式传感器.当动片与定片之间的角度发生变化时，引起极板正对面积S的变化，则电容C发生变化.知道电容C的变化，就可以知道的变化情况.如图所示是测定压力F的电容式传感器.待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化.知道电容C的变化，就可以知道F的变化情况.如图所示是测定位移x的电容式传感器.随着电介质板进入极板间的长度发生变化，电容C发

6、生变化，知道电容C的变化，就可以知道x的变化情况.三、斯密特触发器的工作原理及其应用斯密特触发器的工作原理：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V).应用(一)：光控开关，电路如右图所示.原理：白天，光强度较大，光敏电阻RG阻值较小，加在斯密特触发器输入端A的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，RG阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到1.6 V

7、，输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的.应用(二)：温度报警器，电路如图所示.原理：常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R1的阻值不同，则报警器温度不同.典例精析1.力电传感器与声传感器【例1】如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑动电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P

8、1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小.已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1；(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2；(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1.从而使P1、P2间的电压为零.校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体

9、质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式.【解析】托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比.(1)由力的平衡知识知：m0gkx1，解得x1(2)放上重物重新平衡后：m0gmgkx2解得x2(3)由闭合电路的欧姆定律知：EIR由部分电路的欧姆定律知：UIR串又，其中x为P1、P2间的距离，则xx2x1联立解得m【思维提升】分析清楚力电传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键.【拓展1】动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图甲是话筒原理图，图乙是录音机

10、的录音、放音原理图，由图可知：话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流；录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流；录音机录音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场；录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场.其中正确的是( C )A.B.C.D.【解析】录音是将声音信号转变成磁信号，放音是将磁信号转变成声音信号.话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流，正确；录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，正确；磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，正确.2.温度传感器

11、的应用【例2】如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103 C)时，开关会自动断开.S2是一个自动控温开关，当温度低于70 C时，会自动闭合；温度高于80 C时会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯，分流电阻R1R2500 ，加热电阻R350 ，两灯电阻不计.(1)分析电饭煲的工作原理；(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；(3)简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？【解析】(1)电饭煲装上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时R1与黄灯被短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80 C时，S2

12、自动断开，S1仍闭合；水烧开后，温度升高到103 C时，开关S1自动断开，这时饭已经煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态.由于散热，待温度降至70 C时，S2又自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80 C时，S2又自动断开，再次处于保温状态.(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1，保温时电饭煲消耗的功率P2，两式中R并 ，从而有(3)如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1与黄灯被短路，功率为P1，当温度上升到80 C时，S2自动断开，功率降为P2，温度降到70 C，S2又自动闭合温度只能在7080 C之间变化，不能把水烧开，故不能将饭煮熟.【思维提升】分析电饭煲的工作原理，关键的地方一是手动温控开

13、关S1，超过居里点会自动断开，二是自动温控开关S2，低于70 C时会自动闭合，高于80 C时会自动断开.掌握了两个开关的特点，也就会分析电饭煲的工作原理了.【拓展2】图甲为在温度为10 C左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R120 k，R210 k，R340 k，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示.当a、b端电压Uab0时，电压鉴别器使开关S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在35C.【解析】设电路路端电压为U，当Uab0时，有，解得Rt20 k .由题图乙可知，当Rt20 k时，t35 3.光传感器的应用【例3】如图所示，某同学设计了一个路灯自动控制门电路，天

14、黑了，让路灯自动接通，天亮了，让路灯自动熄灭.图中RG是光敏电阻，当有光线照射时，光敏电阻的阻值会显著减小.R是可调电阻，起分压作用，J为路灯总开关控制继电器(图中未画路灯电路).(1)在图中虚线框处画出接入的斯密特触发器；(2)如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，应如何调节R才能在天色较暗时开关自动接通？说明道理.【解析】(1)(2)R应调大些，这样在初状态，A点电平较高(原来RG较小，I较大，R两端电压较大)，天色较暗时，RG增大较多，才能使A点电平降低到使Y点电平由低到高的突变，使J两端电压变大，J导通.【思维提升】搞清斯密特触发器的工作原理是解题的关键.【拓展3】型号74LS14的集成

15、块里面有6个非门，其引脚如图所示，这种非门由于性能特别，称为斯密特触发器.当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V).斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行自动控制所必需的.现用斯密特触发器与热敏电阻RT组成温度报警器，电路如图所示，图中蜂鸣器可以选用YMD或HMB型，它两端的直流电压为46 V时会发出鸣叫声；RT为热敏电阻，常温下阻值约几百欧，温度升高时阻值减小.R1的最大电阻可在12 k间选择.接通电源后

16、，先调节R1使蜂鸣器在常温下不发声.再用热水使热敏电阻的温度上升，到达某一温度时，蜂鸣器就会发出报警声.请你说明这个电路的工作原理.想一想：怎样能够使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？【解析】该电路的工作原理：常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声.R1的阻值不同，报警温度不同.要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到

17、高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高. 易错门诊4.电容式传感器的应用【例4】如图所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空隙还有另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器，该电容器的电容C可用公式C计算，式中常量91012 Fm1，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离.当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下了，从而给出相应的信号.设每个金属片的正对面积为50 mm2，键未被按下时两金属片间的距离为0.6 mm.如果电容变化了0.25 pF，电子线路恰好能检测出必要的信号，则键至少要被按下mm.【

18、错解】0.45【错因】本题考查电传感器的应用.根据C，CS得 m0.45103 m0.45 mm这时求出的只是按键被按下后两金属片间的距离，而不是按键被按下的距离.【正解】计算机键盘是一个电容传感器，由题意知它是靠改变两极板间距从而改变电容，得到相应的电信号的.又因为两极板间距减小，电容变大，设原间距为d0，按下键后间距为d时，电子线路恰能检测出必要的信号，则根据C，CS得m0.45103 m0.45 mm所以键至少要被按下的距离为0.6 mm0.45 mm0.15 mm【答案】0.15【思维提升】熟记电容器电容公式C，要审清题意，求按下的距离，而不是剩下的宽度. 希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！