第 4 課時傳感器的工作原理及其應(yīng)用 基礎(chǔ)知識歸納1.傳感器及其工作原理(1)傳感器的定義：有一些元件能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷，我們把這種元件叫做傳感器.它的優(yōu)點是：把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量以后，就可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制了.(2)傳感器的組成：傳感器一般由敏感元件和輸出部分組成，通過敏感元件獲取外界信息并轉(zhuǎn)換為電信號，通過輸出部分輸出，然后經(jīng)過控制器分析處理.(3)制作傳感器需要的元件：光敏電阻：當(dāng)光照增強時，電阻阻值減小；光照減弱時，電阻阻值增大.能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個電學(xué)量.熱敏電阻與金屬熱電阻：能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大.霍爾元件：它能夠把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量.霍爾電壓UH.其中k為霍爾系數(shù)，其大小與薄片元件的材料有關(guān)，d為元件厚度，I為通電電流，B為加在元件上的磁感應(yīng)強度，如圖所示.應(yīng)變片：它能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量.干簧管：它能夠?qū)⒋艌鲞@個非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電路的通斷.雙金屬片：它能將溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電路的通斷.2.傳感器工作原理3.傳感器的應(yīng)用及實例(1)力傳感器的應(yīng)用電子秤：它是由金屬梁和應(yīng)變片組成的，應(yīng)變片是一種敏感元件，多用半導(dǎo)體材料制成.(2)聲傳感器的應(yīng)用話筒：它是一種常用的聲傳感器，其作用是將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號.(3)溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗：它裝有雙金屬片溫度傳感器，其作用是控制電路的通斷.(4)溫度傳感器的應(yīng)用電飯鍋：它的主要元件是感溫鐵氧體.(5)溫度傳感器的應(yīng)用測溫儀：它可以把溫度轉(zhuǎn)換成電信號，由指針式儀表或數(shù)字式儀表顯示出來.測溫儀中的測溫元件可以是熱敏電阻、金屬熱電阻、熱電偶，還可以是紅外線敏感元件等.(6)光傳感器的應(yīng)用鼠標(biāo)器、火災(zāi)報警器：機械式鼠標(biāo)器內(nèi)的碼盤兩側(cè)分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管，兩個紅外管就是兩個光傳感器；有的火災(zāi)報警器是利用煙霧對光的散射來工作的，其帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.(7)應(yīng)用實例：光控開關(guān)和溫度報警器.重點難點突破一、熱敏電阻與金屬熱電阻有哪些區(qū)別 項目電阻導(dǎo)電原理電阻隨溫度變化優(yōu)點熱敏電阻自由電子和空穴等載流子靈敏度較好金屬熱電阻自由電子的定向移動化學(xué)穩(wěn)定性好，測量范圍大二、電容式傳感器的工作原理電容器的電容決定于極板的正對面積S、極板間距d、極板間的電介質(zhì)這幾個因素.如果某一物理量(如角度、位移x，深度h等)的變化能引起上述某個因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化，有這種用途的電容器稱電容式傳感器.如圖所示是測量液面高度h的電容式傳感器.在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電溶液中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電溶液構(gòu)成電容的兩個極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì).液面高度h發(fā)生變化時，引起正對面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化.知道電容C的變化，就可以知道液面高度h的變化情況.如圖所示是用來測定角度的電容式傳感器.當(dāng)動片與定片之間的角度發(fā)生變化時，引起極板正對面積S的變化，則電容C發(fā)生變化.知道電容C的變化，就可以知道的變化情況.如圖所示是測定壓力F的電容式傳感器.待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候，膜片發(fā)生形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化.知道電容C的變化，就可以知道F的變化情況.如圖所示是測定位移x的電容式傳感器.隨著電介質(zhì)板進(jìn)入極板間的長度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道電容C的變化，就可以知道x的變化情況.三、斯密特觸發(fā)器的工作原理及其應(yīng)用斯密特觸發(fā)器的工作原理：斯密特觸發(fā)器是一個性能特殊的非門電路，當(dāng)加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6 V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25 V)，而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個值的時候(0.8 V)，Y會從低電平跳到高電平(3.4 V).應(yīng)用(一)：光控開關(guān)，電路如右圖所示.原理：白天，光強度較大，光敏電阻RG阻值較小，加在斯密特觸發(fā)器輸入端A的電壓較低，則輸出端Y輸出高電平，發(fā)光二極管LED不導(dǎo)通；當(dāng)天色暗到一定程度時，RG阻值增大到一定值，斯密特觸發(fā)器的輸入端A的電壓上升到1.6 V，輸出端Y突然從高電平跳到低電平，則發(fā)光二極管LED導(dǎo)通發(fā)光(相當(dāng)于路燈亮了)，這樣就達(dá)到了使路燈天明自動熄滅，天暗自動開啟的目的.應(yīng)用(二)：溫度報警器，電路如圖所示.原理：常溫下，調(diào)整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)溫度升高時，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當(dāng)達(dá)到某一值(高電平)時，其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報警聲，R1的阻值不同，則報警器溫度不同.典例精析1.力電傳感器與聲傳感器【例1】如圖所示為某種電子秤的原理示意圖，AB為一均勻的滑動電阻，阻值為R，長度為L，兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭，P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動，彈簧處于原長時，P1剛好指著A端，P1與托盤固定相連，若P1、P2間出現(xiàn)電壓時，該電壓經(jīng)過放大，通過信號轉(zhuǎn)換后在顯示屏上將顯示物體重力的大小.已知彈簧的勁度系數(shù)為k，托盤自身質(zhì)量為m0，電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.求：(1)托盤上未放物體時，在托盤自身重力作用下，P1離A的距離x1；(2)托盤上放有質(zhì)量為m的物體時，P1離A的距離x2；(3)在托盤上未放物體時通常先校準(zhǔn)零點，其方法是：調(diào)節(jié)P2，使P2離A的距離也為x1.從而使P1、P2間的電壓為零.校準(zhǔn)零點后，將物體m放在托盤上，試推導(dǎo)出物體質(zhì)量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關(guān)系式.【解析】托盤的移動帶動P1移動，使P1、P2間出現(xiàn)電勢差，電勢差的大小反映了托盤向下移動距離的大小，由于R為均勻的滑線電阻，則其阻值與長度成正比.(1)由力的平衡知識知：m0gkx1，解得x1(2)放上重物重新平衡后：m0gmgkx2解得x2(3)由閉合電路的歐姆定律知：EIR由部分電路的歐姆定律知：UIR串又，其中x為P1、P2間的距離，則xx2x1聯(lián)立解得m【思維提升】分析清楚力電傳感器的工作原理，明確裝置是如何將力這個非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量是解決該類問題的關(guān)鍵.【拓展1】動圈式話筒和磁帶錄音機都應(yīng)用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，圖甲是話筒原理圖，圖乙是錄音機的錄音、放音原理圖，由圖可知：話筒工作時磁鐵不動，線圈振動而產(chǎn)生感應(yīng)電流；錄音機放音時變化的磁場在靜止的線圈里產(chǎn)生感應(yīng)電流；錄音機錄音時線圈中變化了的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場；錄音機錄音時線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場.其中正確的是( C )A.B.C.D.【解析】錄音是將聲音信號轉(zhuǎn)變成磁信號，放音是將磁信號轉(zhuǎn)變成聲音信號.話筒的工作原理是，聲波迫使金屬線圈在磁鐵產(chǎn)生的磁場中振動產(chǎn)生感應(yīng)電流，正確；錄音時，話筒產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)放大電路放大后在錄音機磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場，正確；磁帶在放音時通過變化的磁場使放音磁頭產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)放大電路后再送到揚聲器中，正確.2.溫度傳感器的應(yīng)用【例2】如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個控溫開關(guān)，手動閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達(dá)到居里點(103 °C)時，開關(guān)會自動斷開.S2是一個自動控溫開關(guān)，當(dāng)溫度低于70 °C時，會自動閉合；溫度高于80 °C時會自動斷開，紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈，分流電阻R1R2500 ，加熱電阻R350 ，兩燈電阻不計.(1)分析電飯煲的工作原理；(2)計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比；(3)簡要回答，如果不閉合開關(guān)S1，能將飯煮熟嗎？【解析】(1)電飯煲裝上食物后，接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時R1與黃燈被短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài)，加熱到80 °C時，S2自動斷開，S1仍閉合；水燒開后，溫度升高到103 °C時，開關(guān)S1自動斷開，這時飯已經(jīng)煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài).由于散熱，待溫度降至70 °C時，S2又自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達(dá)到80 °C時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態(tài).(2)加熱時電飯煲消耗的電功率P1，保溫時電飯煲消耗的功率P2，兩式中R并 ，從而有(3)如果不閉合開關(guān)S1，開始S2總是閉合的，R1與黃燈被短路，功率為P1，當(dāng)溫度上升到80 °C時，S2自動斷開，功率降為P2，溫度降到70 °C，S2又自動閉合溫度只能在7080 °C之間變化，不能把水燒開，故不能將飯煮熟.【思維提升】分析電飯煲的工作原理，關(guān)鍵的地方一是手動溫控開關(guān)S1，超過居里點會自動斷開，二是自動溫控開關(guān)S2，低于70 °C時會自動閉合，高于80 °C時會自動斷開.掌握了兩個開關(guān)的特點，也就會分析電飯煲的工作原理了.【拓展2】圖甲為在溫度為10 °C左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內(nèi)的電阻R120 k，R210 k，R340 k，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示.當(dāng)a、b端電壓Uab<0時，電壓鑒別器使開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)Uab>0時，電壓鑒別器使開關(guān)S斷開，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在35°C.【解析】設(shè)電路路端電壓為U，當(dāng)Uab0時，有，解得Rt20 k .由題圖乙可知，當(dāng)Rt20 k時，t35 3.光傳感器的應(yīng)用【例3】如圖所示，某同學(xué)設(shè)計了一個路燈自動控制門電路，天黑了，讓路燈自動接通，天亮了，讓路燈自動熄滅.圖中RG是光敏電阻，當(dāng)有光線照射時，光敏電阻的阻值會顯著減小.R是可調(diào)電阻，起分壓作用，J為路燈總開關(guān)控制繼電器(圖中未畫路燈電路).(1)在圖中虛線框處畫出接入的斯密特觸發(fā)器；(2)如果路燈開關(guān)自動接通時天色還比較亮，應(yīng)如何調(diào)節(jié)R才能在天色較暗時開關(guān)自動接通？說明道理.【解析】(1)(2)R應(yīng)調(diào)大些，這樣在初狀態(tài)，A點電平較高(原來RG較小，I較大，R兩端電壓較大)，天色較暗時，RG增大較多，才能使A點電平降低到使Y點電平由低到高的突變，使J兩端電壓變大，J導(dǎo)通.【思維提升】搞清斯密特觸發(fā)器的工作原理是解題的關(guān)鍵.【拓展3】型號74LS14的集成塊里面有6個非門，其引腳如圖所示，這種非門由于性能特別，稱為斯密特觸發(fā)器.當(dāng)加在它的輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6 V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25 V)，而當(dāng)輸入端A的電壓下降到另一個值的時候(0.8 V)，Y會從低電平跳到高電平(3.4 V).斯密特觸發(fā)器可以將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為突變的數(shù)字信號，而這正是進(jìn)行自動控制所必需的.現(xiàn)用斯密特觸發(fā)器與熱敏電阻RT組成溫度報警器，電路如圖所示，圖中蜂鳴器可以選用YMD或HMB型，它兩端的直流電壓為46 V時會發(fā)出鳴叫聲；RT為熱敏電阻，常溫下阻值約幾百歐，溫度升高時阻值減小.R1的最大電阻可在12 k間選擇.接通電源后，先調(diào)節(jié)R1使蜂鳴器在常溫下不發(fā)聲.再用熱水使熱敏電阻的溫度上升，到達(dá)某一溫度時，蜂鳴器就會發(fā)出報警聲.請你說明這個電路的工作原理.想一想：怎樣能夠使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警？【解析】該電路的工作原理：常溫下，調(diào)整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)溫度升高時，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當(dāng)達(dá)到某一值(高電平)時，其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報警聲.R1的阻值不同，報警溫度不同.要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警，應(yīng)減小R1的阻值，R1阻值越小，要使斯密特觸發(fā)器輸入端達(dá)到高電平，則熱敏電阻阻值要求越小，即溫度越高. 易錯門診4.電容式傳感器的應(yīng)用【例4】如圖所示，有的計算機鍵盤的每一個鍵下面都連一小塊金屬片，與該金屬片隔有一定空隙還有另一塊小的固定金屬片，這兩塊金屬片組成一個小電容器，該電容器的電容C可用公式C計算，式中常量9×1012 F·m1，S表示金屬片的正對面積，d表示兩金屬片間的距離.當(dāng)鍵被按下時，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能夠檢測出哪個鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號.設(shè)每個金屬片的正對面積為50 mm2，鍵未被按下時兩金屬片間的距離為0.6 mm.如果電容變化了0.25 pF，電子線路恰好能檢測出必要的信號，則鍵至少要被按下mm.【錯解】0.45【錯因】本題考查電傳感器的應(yīng)用.根據(jù)C，CS得 m0.45×103 m0.45 mm這時求出的只是按鍵被按下后兩金屬片間的距離，而不是按鍵被按下的距離.【正解】計算機鍵盤是一個電容傳感器，由題意知它是靠改變兩極板間距從而改變電容，得到相應(yīng)的電信號的.又因為兩極板間距減小，電容變大，設(shè)原間距為d0，按下鍵后間距為d時，電子線路恰能檢測出必要的信號，則根據(jù)C，CS得m0.45×103 m0.45 mm所以鍵至少要被按下的距離為0.6 mm0.45 mm0.15 mm【答案】0.15【思維提升】熟記電容器電容公式C，要審清題意，求按下的距離，而不是剩下的寬度.