知识讲解传感器及其应用(应用实例).pdf

高中物理 高中物理 传感器及其应用（应用实例）【学习目标】1传感器的传感元件是如何将非电学量转化电学量的。2传感器的应用模式：如如何实现信号的放大、转换显示和执行等。（这些内容限于高中水平只要求了解，不要求理解或掌握）【要点梳理】知识点一、温度传感器的应用电饭锅 1感温铁氧体 （1）组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末。（2）特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约103时，失去铁磁性。（3）居里点：又称居里温度，即指103。2电饭锅的结构 如图所示：3电饭锅的工作原理 开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内水保持100不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，温度升至居里点103时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源从而停止加热。要点诠释：如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在100，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103才能自动断电。知识点二、温度传感器的应用测温仪 1常见测温元件：热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等。2温度传感器测温仪的优点：可以远距离读取温度的数值，因为温度信号变成电信号后可以远距离传输。知识点三、光传感器的应用 1机械式鼠标：其内部组成如图所示，包括滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管（光传感器）。高中物理 高中物理 工作原理：鼠标器移动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计xy、两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。2火灾报警器 如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器。带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。要点诠释：常见的光传感器：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等。知识点四、常见传感器的应用实例 1生活中的传感器 （1）与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器。（2）红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。（3）照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器。2农业生产中的传感器 （1）湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水。（2）温度传感器和湿度传感器，可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象。3工业生产中的传感器 （1）生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等。（2）在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工。4飞向太空的传感器 在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发高中物理 高中物理 送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。知识点五、光控开关 1斯密特触发器 当输入端电压逐渐上升到某一个值（1.6 V）时，输出端会突然突然从高电平跳到低电平（0.25 V），当输入端电压下降到另一个值（0.8 V）时，输出端会从低电平跳到高电平（3.4 V）。2工作原理 对于如图所示的光控电路：白天，光强度较大，光敏电阻GR电阻值较小，加在斯密特触发器A端的电压较低，则输出端Y输出高电压，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，GR的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到某个值（1.6 V），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熄灭，天暗自动开启的目的。要点诠释：要想在天更暗时路灯才会照亮，应该把1R的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6 V），就需要GR的阻值达到更大，即天色更暗。3课本图乙电路分析 由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯模仿路灯，就要使用继电器来启闭供电电路，如图所示。灯泡可用“6V0.3A”的，继电器可以使用HRS1HS型微型继电器以便能够插在实验板上。图中J为继电器，工作电压为5 V，aJ为它的常开触点。要点诠释：（1）二极管具有单向导电性，在电路中不能反接，否则电磁继电器将不能正常工作。（2）图中J与aJ是相互联系的整体。高中物理 高中物理 （3）在控制电路中之所以并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。知识点六、温度报警器 电路原理如图所示，常温下，调整1R的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，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TR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），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，1R的阻值不同，则报警温度不同。要点诠释：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小1R的阻值，1R阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。知识点七、一些元器件的原理和使用 1普通二极管和发光二极管 （1）都具有单向导电性。（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于1.8 V。2晶体三极管 （1）晶体三极管能够把微弱的信号放大。晶体三极管的三极分别是发射极e、基极b和集电极c。（2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。3逻辑电路 （1）对于与门电路，只要一个输入端输入为“0”，则输出端一定是“0”；反之，只有当所有输入端都同时为“1”，输出端才是“1”。（2）对于或门电路，只要有一个输入端输入为“1”，则输出端一定是“1”；反之，只有当所有输入端都为“0”时，输出端才是“0”。（3）非门电路中，当输入端为“0”时，输出总是“1”；当输入端为“1”时，输出端反而是“0”。非门电路也称反相器。（4）斯密特触发器是具有特殊功能的非门。【典型例题】类型一、温度传感器的应用 例 1如图所示是电饭煲的电路图，1S是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达高中物理 高中物理 到居里点（103）时，会自动断开，2S是一个自动控温开关，当温度低于70时，会自动闭合；温度高于80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12500RR，加热电阻丝350R，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1S，能将饭煮熟吗？【思路点拨】先搞清楚1S、2S两控温开关的作用，在明确控温过程。【答案】见解析【解析】本题考查了温度传感器的实际应用，解题关键是清楚1S、2S两控温开关的作用。（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，2S自动闭合，同时手动闭合1S，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80时，2S自动断开，1S仍闭合；水烧开后，温度升高到居里点103时，开关1S自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70时，2S自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80时，2S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22UPR并，保温时电饭煲消耗的电功率221UPRR并，两式中 23223500 505005005011R RPRR。高中物理 高中物理 从而有112500500111250011RRPPR并并。（3）如果不闭合开关1S，开关2S总是闭合的，1R被短路，功率为1P，当温度上升到80时，2S自动断开，功率P降为2P，温度降低到70，2S自动闭合温度只能在7080之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。【总结升华】熟悉电饭煲的工作原理，明确控温过程是解题的关键。例 2(2016 北京四中三模)如图所示，一热敏电阻 RT放在控温容器 M 内；A 为毫安表，量程 6 mA，内阻为数十欧姆；E 为直流电源，电动势约为 3 V，内阻很小；R 为电阻箱，最大阻值为 999.9，S 为开关。已知 RT在 95 时的阻值为 150 ，在 20 时的阻值约为 550。现要求在降温过程中测量在 2095 之间的多个温度下 RT的阻值。(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图。(2)完成下列实验步骤中的填空：a依照实验原理电路图连线。b调节控温容器 M 内的温度，使得 RT的温度为 95。c将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。d闭合开关。调节电阻箱，记录电流表的示数 I0，并记录_。e将 RT的温度降为 T1(20 T195)；调节电阻箱，使得电流表的读数_，记录_。f温度为 T1时热敏电阻的电阻值 RT1_。g逐步降低 T1的数值，直到 20；在每一温度下重复步骤 ef。【答案】(1)见解析(2)d.电阻箱的读数 R0；e仍为 I0 电阻箱的读数 R1；fR0R1150 【解析】(1)电阻箱的最大阻值与热敏电阻的最大阻值相差不大，因此电阻箱应与热敏电阻串联。如图：(2)本实验原理是当电路的两种状态的电流相等时，外电路的总电阻相等。高中物理 高中物理 95 和 T1时对应的电路的电阻相等，有 150 R0RT1R1，即 RT1R0R1150。类型二、光传感器的应用 例 3如图甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定。电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻R的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性设计一个自动光控电路。【思路点拨】由光敏电阻的特性曲线判断：当入射光增强时，光敏电阻的阻值变化，流过光敏电阻的电流变化。根据题意设计出的路灯自动控制电路。【答案】如图所示【解析】由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。根据题意设计的路灯自动控制电路如图所示。控制过程是：当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合使两个常闭触点断开；当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作。【总结升华】光传感器是重要的传感器之一，人们运用硫化镉对可见光敏感的特性，制作路灯自动开关、光照自动调节装置等自控设备。利用某些半导体材料对红外线敏感的特性，制作遥控设备，广泛地应用在电视机、录像机、空调、影碟机等家庭用电器的操作中，由于对红外线敏感的元件对可见光不敏感，用它制作的装置不受可见光影响，因此它的应用十分广泛。例 4如图所示，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，D为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与D距离不变，下列说法中正确的是 （）高中物理 高中物理 A当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大 B当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小 C当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变 D无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变 【答案】A【解析】本题考查了光敏电阻的特性及电路分析知识。电源电压恒定，也就是说，并联电路两端的电压恒定，当滑动触头向左移动时，发光二极管发光变强，光敏电阻的电阻变小，所以电流变大，则L的功率变大。【总结升华】搞清光敏电阻的特点和注意电源电压是恒定的是解决本题的关键。类型三、电磁继电器与自动控制 例 5如图所示为低压控制电路操纵路灯工作的电路，试分析其工作原理。【思路点拨】先搞清楚电磁继电器的工作原理，再分析控制电路原理。【答案】见解析【解析】（1）电磁继电器的工作原理 因集成电路允许通过的电流较小，白炽灯泡工作电流较大，所以使用继电器来启闭工作电路。如图所示，虚线框内是电磁继电器，D为动触点，E是静触点。当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动触点D向下与E接触，工作电路接通；当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路。（2）控制电路原理 天较亮时，光敏电阻GR阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻GR电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线高中物理 高中物理 圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，GR阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。【总结升华】在控制电路中之所以并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。举一反三:【高清课堂：传感器（原理及典型应用）例 7】【变式】如图甲所示为热敏电阻的Rt图像，图乙为用热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路。继电器线圈的电阻为10，当线圈中的电流大于或等于20mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池电动势9.0VE,内阻不计。图乙中的电源是恒温箱加热器的电源，则：A.应该把恒温箱内的加热器接在AB、端 B.应该把恒温箱内的加热器接在CD、端 C.如果要使恒温箱内的温度保持在50，可变电阻R的值应调节到350 D.如果要使恒温箱内的温度保持在50，可变电阻R的值应调节到360 【答案】AC 类型四、温度报警器 例 6型号为74LS14的集成块里面有6个非门，其引脚如图甲所示，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须的。现用斯密特触发器与热敏电阻TR组成温度报警器，电路如图乙所示，图中蜂鸣器可以高中物理 高中物理 选用YMD或HMB型，它两端的直流电压为4 V6 V时会发出鸣叫声；TR为热敏电阻，常温下阻值约几百欧，温度升高时阻值减小。1R的最大电阻可在1 k2 k间选择。接通电源后，先调节1R，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？【答案】见解析【解析】该电路的工作原理是：常温下，调整1R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，热敏电阻研阻值减小，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，1R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1R的阻值，1R阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。【总结升华】斯密特触发器是具有特殊功能的非门，常用符号表示；在逻辑电路中，经常把电势的高低叫做“电平”的高低，“输出低电平”的意思是，输出端处于低电势的状态。类型五、传感器的其他应用 例 7如图甲所示是一种悬球式加速仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度。金属球的质量为m，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计；电阻丝的中心C焊拉一根导体丝，从O点引出一根导线，两线之间接入一个电压表V，金属丝和导线电阻不计。图中虚线OC与AB垂直，且OCh，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中，使AB沿前进的方向。列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝偏离竖直方向，从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小。（1）当列车向右做匀加速直线运动时，试导出加速度a与电压表读数U的关系式（用UULh、及重力加速度g等表示）。（2）用导出的a与U的关系式说明表盘上a的刻度是否均匀？（3）C点设置在电阻丝AB中点的原因是_，对电压表的选择有什么特殊要求_。高中物理 高中物理 【思路点拨】画出受力图，由牛顿第二定律及几何关系得出加速度与有效电阻丝长度及高度的的关系，再用电压与电阻的关系，推出加速度a与电压表读数U的关系式（用UULh、及重力加速度g等表示）。分析这个关系得出第二问；考虑加速度的方向性做出第三问。【答案】见解析【解析】（1）设列车加速度为a时，小球偏离竖直方向角，此时小球受力情况如图乙所示，根据牛顿第二定律得：tanmgma，因为tanDCh 由两式得：DCagh；又设列车加速度为a时，电压表读数为U，DCABRUDCURL，由得U LDCU，代入得U LagUh。（2）由式可知，gLUh、均为常数，则列车加速度。与电压表读数U成正比，可将电压表上的刻度一一对应地改成加速度a 的数值，因而可知表盘上加速度a的刻度与电压表上刻度一样是均匀的。（3）列车可能加速运动也可能减速运动（加速度方向变化）；电压表中间刻度为零。【总结升华】加速度传感器实际上是变式加速度计，它将加速度信号转化为电压信号输出，关键要找到加速度与输出电压的关系。举一反三:【高清课堂：传感器（原理及典型应用）例 9】【变式】可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。当系统绕轴OO转动时，元件A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。高中物理 高中物理 已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，系统静止时P在B点，当系统以角速度转动时，试写出输出电压U与的函数式。【答案】22/(-)UEmk m【解析】设弹簧伸长x,则 2=()kx mlx 22=/(-)x ml k m 设滑动变阻器单位长度的电阻为1r 11=/=/xUIRExr lr Ex l 22/(-)UEmk m 例 8如图所示装置为一监测锅炉内的压力大小的报警器，在压力小于某个安全值时，绿灯亮；当压力超过安全值时，红灯亮、电铃响，进行报警。试说明其工作原理。【答案】见解析【解析】当炉内温度超过安全值时，活塞推动金属片使1 2、触点连接，电磁铁通电把衔高中物理 高中物理 铁吸下来，使3 5、点接通，红灯亮，电铃响，从而起到报警作用。【总结升华】本题关键是看懂电磁继电器电路和指示灯电路，并能分析得到两电路之间的联系。举一反三:【高清课堂：传感器（原理及典型应用）例】【变式】如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计不称物体时，滑片P在A端，滑动变阻器接入电路的有效电阻最大，电流较小；称物体时，在压力作用下滑片P下滑，滑动变阻器的有效电阻变小，电流变大这样把电流对应的重力值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的重力值若滑动变阻器上AB、间距离为L，最大阻值等于定值电阻的阻值0R，两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k，则所称重物的重力G与电流大小I的关系为 ()AkLIRE-2G0）（B.kL1-IREG0）（C.kL1IREG0）（D.kILG 【答案】A 例 9如图所示是电熨斗温度自动控制装置的示意图。（1）正常使用时，上、下触点应是分离的还是接触的？（2）双金属片温度升高时，哪一层形变大？（3）假设原来温度上升到80时，断开电源，现在要求60时断开电源，应怎样调节调温旋钮？【思路点拨】双金属片是将温度转化为双金属片的形变。高中物理 高中物理【答案】（1）接触 （2）上层片的形变大 （3）向上调节【解析】（1）由于常温时电熨斗是通电发热的，故上、下触点必须接通而使电热丝工作。（2）由于上层金属片的膨胀系数比下层金属片的大，则上层金属片的形变大。（3）应向上调节调温旋钮，使之减小对双金属片的压力，使双金属片受热时易于和触点分离断电。【总结升华】感温双金属片是将温度转化为双金属片的形变，而应力双应变片是将应变片的形变量转化为电压输出。举一反三:【变式】某同学设计的家庭电路保护装置如图所示，铁芯左侧线圈1L由火线和零线并行绕成，当右侧线圈2L中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路，仅考虑1L在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有 A家庭电路正常工作时，2L中磁通量为零 B家庭电路中使用的电器增多时，2L中的磁通量不变 C家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起 D地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起。【答案】ABD【解析】因原线圈是双线绕法，所以家庭电路正常工作时1L、2L磁通量为0，A、B正确；家庭电路短路时，1L、2L磁通量仍为0，C 错误；地面上的人接触火线发生触电时，两根电线电流不等且变化，开关 K 被磁铁吸起，D 正确。