高二物理選修3-2傳感器及其應(yīng)用(課件)

1、第五章第五章 傳感器傳感器第第5 5章章 傳感器傳感器種類繁多的傳感器種類繁多的傳感器指紋考勤機(jī)指紋考勤機(jī)供應(yīng)寶馬溫度溫度傳感器傳感器一、什么是傳感器一、什么是傳感器? ?位移、速度、壓力、位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光，溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光， 的一種組件，起自動控制作用的一種組件，起自動控制作用非電學(xué)量 電學(xué)量二、傳感器的種類二、傳感器的種類是利用化學(xué)反應(yīng)的原理，識是利用化學(xué)反應(yīng)的原理，識別和檢測信息，把別和檢測信息，把 化學(xué)物質(zhì)的成分、濃化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。 如氣敏傳感器、濕敏傳感器等，在環(huán)境保護(hù)火災(zāi)如氣敏傳感器、濕敏傳

2、感器等，在環(huán)境保護(hù)火災(zāi)報警、醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器方面有廣泛應(yīng)用。報警、醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器方面有廣泛應(yīng)用。是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性的是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性的識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路物理信息物理信息化學(xué)信息化學(xué)信息生物信息生物信息電電信信號號敏感元件敏感元件傳感器傳感器三、傳感器的工作原理三、傳感器的工作原理傳感器：傳感器： 一般由一般由 敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路 三三 部分組成部分組成 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器件器件敏感敏感元件元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路 非電非電物理量物理量電學(xué)量電學(xué)量常見傳感器及工作原理1、光敏電阻（光

3、電傳感器） 利用煙霧對光的散利用煙霧對光的散射來工作的火災(zāi)報射來工作的火災(zāi)報警器警器特性：例例1 1、如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，、如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中其中R R1 1為光敏電阻，為光敏電阻，R R2 2為定值電阻此光電計數(shù)為定值電阻此光電計數(shù)器的基本工作原理是（器的基本工作原理是（ ）A A當(dāng)有光照射當(dāng)有光照射R R1 1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B B當(dāng)有光照射當(dāng)有光照射R R1 1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C C信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次D D信號處理系統(tǒng)

4、每獲得一次高電壓就記數(shù)一次信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次2、熱敏電阻熱敏電阻R-T關(guān)系示意圖RTo熱敏電阻的阻值會隨著溫度的升高而_，具有負(fù)溫度系數(shù)特性：減小例例2 2 有定值電阻、熱敏電阻、光敏有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件分別接入如圖所示電電阻三只元件分別接入如圖所示電路中路中A A、B B兩點后，用黑紙包住元件兩點后，用黑紙包住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法正確的是（下列說法正確的是（ ）A AB BA.A.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏

5、電阻件一定是熱敏電阻B.B.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻一定是定值電阻C.C.用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻只元件一定是光敏電阻D.D.用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻件一定是定值電阻ACAC例例3 3：如圖是一火警報警的一部分電路示意圖。：如圖是一火警報警的一部分電路示意圖。其中其中R R2 2為用半

6、導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，流表為值班室的顯示器，a a、b b之間接報警器。之間接報警器。當(dāng)傳感器當(dāng)傳感器R R2 2所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流所在處出現(xiàn)火情時，顯示器的電流I I、報警器兩端的電壓報警器兩端的電壓U U的變化情況是（的變化情況是（ ）A A. .I I 變大，變大，U U 變大變大 B B. .I I 變小，變小，U U 變小變小 C.C.I I 變小，變小，U U 變大變大 D D. .I I 變大，變大，U U 變小變小 R R1 1R R2 2R R3 3A Aa ab bE Er rB 嘗試體驗嘗試體驗 如

7、圖所示，如圖所示，R R1 1、R R2 2為定值電阻，為定值電阻，L L是小是小燈泡，燈泡，R R3 3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時，（時，（ ） A A電壓表的示數(shù)增大電壓表的示數(shù)增大 B BR R2 2中電流減小中電流減小 C C小燈泡的功率增大小燈泡的功率增大 D D電路的路端電壓增大電路的路端電壓增大返回返回 力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學(xué)信號（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化力學(xué)信號（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號（電壓、電流等）的儀器。力為電學(xué)信號（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會生產(chǎn)

8、、現(xiàn)代科電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABSABS防抱死制動系防抱死制動系統(tǒng)等。統(tǒng)等。 3.3.力電傳感器力電傳感器 電阻傳感器測物體的質(zhì)量電阻傳感器測物體的質(zhì)量EPASBR0APASBR0VEPASBR0VE金屬梁金屬梁U1U2例例* *：某學(xué)生為了測量一個物體的質(zhì)量，找到一個力電轉(zhuǎn)換器，某學(xué)生為了測量一個物體的質(zhì)量，找到一個力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為k k）如圖所示，測量時先調(diào)節(jié)輸

9、入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時的輸出如圖所示，測量時先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時的輸出電壓為電壓為0 0；而后在其受壓面上放上物體，即可測得與物體的質(zhì)量；而后在其受壓面上放上物體，即可測得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓成正比的輸出電壓U U?，F(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為現(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為m m0 0的砝碼、電壓表、滑動變的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池一個、電鍵及導(dǎo)線若干、待測物體（可置于力電轉(zhuǎn)阻器、干電池一個、電鍵及導(dǎo)線若干、待測物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）。請完成對該物體的測量換器的受壓面上）。請完成對該物體的測量m m。（1 1）設(shè)計一個電路，要求力電轉(zhuǎn)換器的輸

10、入電壓可調(diào)，并且使）設(shè)計一個電路，要求力電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測量電路圖。電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測量電路圖。（2 2）簡要說明測量步驟，求出比例系數(shù)）簡要說明測量步驟，求出比例系數(shù)k k，并測出待測物體的質(zhì)，并測出待測物體的質(zhì)量量m m。（3 3）請設(shè)想實驗中可能會出現(xiàn)的一個問題。）請設(shè)想實驗中可能會出現(xiàn)的一個問題。力電轉(zhuǎn)換器力電轉(zhuǎn)換器輸出輸出輸入輸入受壓面受壓面(1)(1) 設(shè)計電路如圖(2) (2) 測量步驟與結(jié)果測量步驟與結(jié)果: :調(diào)節(jié)滑動變阻器調(diào)節(jié)滑動變阻器, ,使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零零, ,將砝

11、碼放在轉(zhuǎn)換器上將砝碼放在轉(zhuǎn)換器上, ,記下輸出電壓記下輸出電壓U U0 0, ,將待測物放在轉(zhuǎn)換將待測物放在轉(zhuǎn)換器上器上, ,記下輸出電壓記下輸出電壓U U 由由U U0 0=km=km0 0g,g,得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g U=k m g, U=k m g,所以所以 m=mm=m0 0U/UU/U0 0例題（風(fēng)力測定儀）如圖所示為一種測定風(fēng)作用力的儀器原理例題（風(fēng)力測定儀）如圖所示為一種測定風(fēng)作用力的儀器原理圖，圖中圖，圖中P P為金屬球，懸掛在一細(xì)長裸金屬絲下面，為金屬球，懸掛在一細(xì)長裸金屬絲下面，O O是懸掛點是懸掛點，R R0 0是保護(hù)電阻，是保護(hù)電阻，CDCD是水平

12、放置的光滑電阻絲，與懸掛小球的是水平放置的光滑電阻絲，與懸掛小球的細(xì)金屬絲始終保持良好接觸，無風(fēng)時細(xì)金屬絲與電阻絲在細(xì)金屬絲始終保持良好接觸，無風(fēng)時細(xì)金屬絲與電阻絲在C C點點接觸，此時電路中的電流為接觸，此時電路中的電流為I I，有風(fēng)時細(xì)金屬絲將偏轉(zhuǎn)一角度，有風(fēng)時細(xì)金屬絲將偏轉(zhuǎn)一角度（與風(fēng)力大小有關(guān)），細(xì)金屬絲與電阻絲在與風(fēng)力大小有關(guān)），細(xì)金屬絲與電阻絲在C C/ /點接觸，已點接觸，已知風(fēng)力方向水平向左，知風(fēng)力方向水平向左，OC=hOC=h，CD=LCD=L，球的質(zhì)量為，球的質(zhì)量為M M，電阻絲單，電阻絲單位長度的電阻為位長度的電阻為k k，電源內(nèi)電阻和細(xì)金屬絲電阻均不計，金屬，電源內(nèi)電阻

13、和細(xì)金屬絲電阻均不計，金屬絲偏轉(zhuǎn)絲偏轉(zhuǎn)角時，電流表的示數(shù)為角時，電流表的示數(shù)為I I，此時風(fēng)力大小為，此時風(fēng)力大小為F F，試寫，試寫出：出：風(fēng)力大小風(fēng)力大小F F與與的關(guān)系式；的關(guān)系式；風(fēng)力大小風(fēng)力大小F F與電流表示數(shù)與電流表示數(shù)I I 的關(guān)系的關(guān)系式。式。 此裝置所測定的最大風(fēng)力是多少此裝置所測定的最大風(fēng)力是多少？R0OPDBCA電源例題例題3：（：（2003上?？碱}）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，上海考題）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體物體M在導(dǎo)軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑桿在導(dǎo)軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑桿p，通過電壓，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來反映物體位移的大

14、小表顯示的數(shù)據(jù)，來反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說法正確的是則下列說法正確的是( )A 物體物體M運動時，電源內(nèi)的電流會發(fā)生變化運動時，電源內(nèi)的電流會發(fā)生變化B 物體物體M運動時，電壓表的示數(shù)會發(fā)生變化運動時，電壓表的示數(shù)會發(fā)生變化C 物體物體M不動時，電路中沒有電流不動時，電路中沒有電流D 物體物體M不動時，電壓表沒有示數(shù)不動時，電壓表沒有示數(shù)B電容式位移傳感器電容式位移傳感器電容式位移傳感器示意圖被測物體x x電容器極板電介質(zhì)板定片定片動片動片電介質(zhì)電介質(zhì)金屬芯線金屬芯線導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體待測壓力待測壓力F F固定電極固定電極可動電極可動電極x x極板

15、極板極板極板電介質(zhì)電介質(zhì)其它電容式傳感器其它電容式傳感器例例4:可測量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動角速度可測量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動角速度,其結(jié)構(gòu)如圖所示。其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)系統(tǒng)繞軸當(dāng)系統(tǒng)繞軸OO轉(zhuǎn)動時，元件轉(zhuǎn)動時，元件A發(fā)生位移并輸出相應(yīng)的電壓信號，發(fā)生位移并輸出相應(yīng)的電壓信號，成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。已知成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。已知A的質(zhì)量為的質(zhì)量為m，彈簧，彈簧的勁度系數(shù)為的勁度系數(shù)為k、自然長度為、自然長度為l，電源的電動勢為，電源的電動勢為E、內(nèi)阻不計?；?、內(nèi)阻不計?；瑒幼冏杵骺傞L也為動變阻器總長也為l ，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時P在在

16、B點，當(dāng)系點，當(dāng)系統(tǒng)以角速度統(tǒng)以角速度轉(zhuǎn)動時，試寫出輸出電壓轉(zhuǎn)動時，試寫出輸出電壓U與與的函數(shù)式。的函數(shù)式。A S PCBOO輸出電壓輸出電壓U解：設(shè)彈簧伸長x , 則 x= m 2 l ( k-m 2 )設(shè)滑動變阻器單位長度 的電阻為r1 U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l U= Em 2 (k-m 2)例例5：將金屬塊：將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個矩形的箱中，如圖所示，用壓縮的輕彈簧卡在一個矩形的箱中，如圖所示，在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運動。在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運動。當(dāng)箱以當(dāng)箱以a=2.0 m/s2的加速度豎直向

17、上做勻減速運動時，上頂板的傳的加速度豎直向上做勻減速運動時，上頂板的傳感器顯示的壓力為感器顯示的壓力為6.0N，下底板的傳感器顯示的壓力為，下底板的傳感器顯示的壓力為10.0N。(取取g=10 m/s2)(1)若上頂板傳感器的示數(shù)是下底板若上頂板傳感器的示數(shù)是下底板傳感器的示數(shù)的一半，傳感器的示數(shù)的一半， 試判斷箱的試判斷箱的運動情況。運動情況。(2)要使上頂板傳感器的示數(shù)為零要使上頂板傳感器的示數(shù)為零,箱箱沿豎直方向運動的情況可能是怎樣的？沿豎直方向運動的情況可能是怎樣的？m原來原來（1）（2）解：解：mF=10NF1 =6Nmga向上做勻減速運向上做勻減速運動動a向下向下a=2m/s2mg

18、+F1-F=mam=0.5kgFmgF2a2上頂板示數(shù)是下上頂板示數(shù)是下底板示數(shù)的底板示數(shù)的1/2彈簧長度不變彈簧長度不變F=10N F2=5N mg+F2-F=ma2a2=0靜止或勻速運動靜止或勻速運動Fmga3上頂板示數(shù)為零，則彈上頂板示數(shù)為零，則彈簧變短簧變短F10N F3=0F mg = ma3a3 10m/s2向上加速或向下減速，向上加速或向下減速，加速度加速度a 10m/s2。（1）話筒的作用是什么？（2）說明動圈式話筒的工作原理和工作過程。（3）說明電容式話筒的工作原理和工作過程。這種話筒的優(yōu)點是什么？（4）駐極體話筒的工作原理是什么？有何優(yōu)點？ 4.聲電傳感器聲電傳感器 例題例

19、題1.（2003上海試題）唱卡拉上海試題）唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)有傳感器。其中用的話筒，內(nèi)有傳感器。其中有一種是動圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個輕有一種是動圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當(dāng)聲波使膜片前后振小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當(dāng)聲波使膜片前后振動時，就將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。下列說法正確的是動時，就將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。下列說法正確的是( )A 該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的B 該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的C 膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通

20、量不變膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通量不變D 膜片振動時，金屬線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢膜片振動時，金屬線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 B常溫下兩觸點分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點接觸。雙金屬片溫度傳感器：例例2.日光燈的啟動器也可看成是一個熱敏傳感裝置，它的熱敏功能日光燈的啟動器也可看成是一個熱敏傳感裝置，它的熱敏功能器是雙金屬片，你能說出啟動器的工作原理嗎？器是雙金屬片，你能說出啟動器的工作原理嗎？U形動觸片形動觸片靜觸片靜觸片氖泡氖泡圖1解析：日光燈啟動器結(jié)構(gòu)如圖所示，解析：日光燈啟動器結(jié)構(gòu)如圖所示，內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不

21、同。開關(guān)閉合后，啟動器兩極之間有電開關(guān)閉合后，啟動器兩極之間有電壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱量使出的熱量使U U形動觸片受熱膨脹向外形動觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸片接觸，電路接通；延伸，碰到靜觸片接觸，電路接通；溫度降低時，溫度降低時，U U動觸片向里收縮，離動觸片向里收縮，離開觸點，切斷電路。開觸點，切斷電路。電熨斗的構(gòu)造思考與討論：常溫下兩觸點是接觸還是分離？如何用調(diào)溫旋鈕來升高或降低電燙斗的工作溫度？例例3.3.電熨斗：電熨斗：利用雙金屬片溫度傳感器控制電路的通斷利用雙金屬片溫度傳感器控制電路的通斷. .（1）電飯鍋中溫度傳感器的主要元件是什么？）電飯鍋中溫度傳感器的主要元件是什么？（2）感溫鐵氧體的組成物質(zhì)是什么？）感溫鐵氧體的組成物質(zhì)是什么？（3）感溫鐵氧體有何特點？）感溫鐵氧體有何特點？（4）什么是）什么是“居里點居里點”？2、熱敏電阻和金屬熱電阻ORT金屬導(dǎo)線金屬導(dǎo)線熱敏電阻熱敏電阻例題例題3.3.下圖是一個溫度傳感器的原理示意下圖是一個溫度傳感器的原理示意圖圖,R,Rt t是一個熱敏電阻器。試說明傳感器是如是一個熱敏電阻器。試說明傳感器是如何把溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕?。何?/p>