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1、11 1 传感器传感器目标定位 1.知道什么是传感器及其工作原理.2.掌握制作传感器的常用元件的特性及其应用.一、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.结构非电信息,敏感元件处理电路电信息(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、
2、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？答案 传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等)，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.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
3、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( )2图 1A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 选项正确答案 A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
4、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 1107Pa，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g10m/s2.请回答：压力F/N0250500750100012501500电阻R/300270240210180150120(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘_A 处.(2)如果某人站在该秤
5、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R300，此时 A 中电流I A1.6102A.U R4.8 300(2)当电流I20mA20103A 时，压力传感器的电阻R 240，对U I4.8 20 103应表格中，这个人的体重为 50kg.答案 (1)1.6102 (2)50传感器问题的分析思路3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
6、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
7、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 3A.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4D.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
8、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.答案 D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.答案 CD1.(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答案 B解析 金属材料也可
9、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，变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，其作用是将声信号转换为电信号，所以 B 正确；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，所以 C 错误；传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，所以 D 错误.故选 B.2.(热敏电阻的应用)如图 4 所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关 S 后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是变暗，发生这一现象的主要原因是( )图 4A.小灯泡的电阻发生了变化5B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化D.电
10、源的电压随温度发生了变化答案 C解析 电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据PI2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗.3.(热敏电阻的应用)(多选)图 5 是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的值.实验中观察到当温度升高时灯更亮.对实验现象分析正确的有( )图 5A.温度升高，电路中的电流减小B.温度升高，电路中的电流增大C.温度升高，热敏电阻的阻值增大D.温度升高，热敏电阻的阻值减小答案 BD解析 当温度升高时，电路中的热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的电流增大，导致灯泡变亮.4.(对传感器的理解)如图 6 所示是变隙电感式
11、压力传感器的结构图.它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起.根据变隙电感式压力传感器的结构图分析其工作原理.图 6答案 见解析解析 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力F的作用下产生与压力F大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使铁芯和衔铁之间的距离发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表 A 的指示值反映了被测压力的大小.6题组一 传感器的概念1.(多选)下列说法正确的是( )A.传感器担负着信息采集的任务B.干簧管是一种磁传感器C.传感器不是电视遥控器的主要元件D.传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具答案 ABD解析 传感器相当于人的器官，
12、给机器提供一些信息，A 正确；根据定义知 B、D 正确；遥控器的主要元件是传感器，C 错误.题组二 传感器对信号的转化2.用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程.下列属于这类传感器的是( )A.红外报警装置B.走廊照明灯的声控开关C.自动洗衣机中的压力传感装置D.电饭煲中控制加热和保温的温控器答案 A解析 遥控器是利用红外线传输信号的，故 A 项正确.3.传感器是把非电学量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件.如图 1 所示为一种电容式传感器，电路可将声音信号转化为电信号.电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水
13、平方向振动的镀有金属层的振动膜.若声源S发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中( )图 1A.a、b板之间的电场强度不变B.a、b板所带的电荷量不变C.电路中始终有方向不变的电流D.向右位移最大时，电容器的电容最大7答案 D解析 a、b始终跟电源相连，电势差U不变，由于a、b间距离变化，由E 知场强变化，U dA 错误；由C知d变化时C变化，a向右位移最大时，电容最大，D 正确；由QCUrS 4kd知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C 错误.4有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近自动干手
14、机能使传感器工作，是因为( )A改变湿度 B改变温度C改变磁场 D改变电容答案 D解析 根据自动干手机工作的特征，手靠近自动干手机，电热器工作，手撤离后电热器停止工作，人是一种导体，可以与其他导体构成电容器手靠近时相当于连接一个电容器，可以确定干手机内设有电容式传感器，由于手的靠近改变了电容大小，故 D 正确；用湿度和温度来驱动电热器工作，理论上可行，但是假如干手机是由于温度、湿度的变化而工作就成了室内烘干机5如图 2 是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量
15、情况，你认为电压表应该接在图中的_两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减少时，电压表的示数将_(填“增大”或“减小”)图 2答案 c、d 减小解析 把电压表接到c、d之间，油量增加时，R减小，电路中电流增大，则R两端的电压增大，电压表示数增大，同理，油量减少时，电压表示数减小题组三 敏感元件的原理6.如图 3 所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L 为小灯泡，当温度降低时( )8图 3A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱答案 C解析 当温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表示数减小，R1两端电压减小，灯 L 两端电压增
16、大，灯泡亮度变强，故 C 正确，其余各项均错.7.(多选)如图 4 所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路图.其中的运行绕组是电冰箱在工作时电动机的定子，由于交流是单相的，启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场，在启动绕组的支路中串联有一个 PTC 元件，这是一种以酞酸钡为主要材料的热敏电阻器，电流流过 PTC 元件，元件发热，它的电阻率随温度升高而发生显著变化，当电动机正常转动以后，PTC 元件温度较高，电阻很大，启动绕组电流很小.以下判断正确的是( )图 4A.电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少B.电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少C.电冰箱启动后，启动绕组功率不变，运行绕组功率是变化的D.电冰箱启动后，启动绕组功率是变化的，运行绕组功率不变答案 BD解析 启动时，由于 PTC 元件温度低，电阻小，故耗电多，B 正确；启动后，随 PTC 元件温度升高，PT
