5.1揭开传感器的“面纱” 学案

第1讲　揭开传感器的“面纱”
[目标定位]　1.知道什么是传感器，了解传感器的基本构成及各部分作用.2.知道非电学量转化成电学量的技术意义.3.通过动手操作体会传感器的工作原理．
一、什么是传感器
1．定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置．
2．作用：传感器在自动测量和自动控制系统中担负着信息采集和转化任务，把非电学量转化为电学量．
二、种类繁多的传感器
1．常见传感器及特点
常见传感器
原理
举例
特点
物理传感器
利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息
电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等
品种多、应用广、发展快
续表
化学传感器
利用化学反应识别和检测信息
气敏传感器、湿敏传感器
广泛应用于环保、火灾报警、医疗卫生
生物传感器
利用生物化学反应识别和检测信息
组织传感器、细胞传感器、酶传感器
含有生命物质，专一性好，易操作、快速、准确
2.传感器的一般结构
一、对传感器的正确理解
1．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、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．
2．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．
例1　关于传感器，下列说法正确的是(　　)
A．光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的
B．传感器担负着信息采集和转化任务
C．传感器是将非电学量转变为电学量的装置
D．以上说法都不正确
答案　ABC
解析　光敏和热敏电阻分别应用了半导体的不同特性制成，A正确；传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息采集和转化任务，B正确．传感器由感知电阻、电压、电流等各种变化来传递信号，D错误，C正确．
二、常见的传感器
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等．
4．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．
5．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．
例2　“嫦娥一号”卫星上装有8种24件探测仪器，其中可能有(　　)
A．味觉传感器
B．气体传感器
C．听觉传感器
D．视觉传感器
答案　D
解析　“嫦娥一号”月球卫星是为探测月球而发射的在轨卫星，而月球上无气体，所以不需要气体传感器和听觉传感器，当然也用不到味觉传感器，真正需要的是为月球“画像”的视觉传感器——立体相机．
例3　如图1所示，电吉他的弦是磁性物质，当弦振动时，线圈中产生感应电流，感应电流输送到放大器、喇叭，把声音播放出来，下列说法正确的是(　　)
图1
A．电吉他是光电传感器
B．电吉他是温度传感器
C．电吉他是声音传感器
D．弦改用尼龙材料，原理不变
答案　C
解析　由电吉他发声原理可知是将声音的变化转变为电流的变化，C对，A、B、D错．
例4　压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图2甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是(　　)
图2
A．0～t1时间内，升降机一定匀速运动
B．0～t1时间内，升降机可能减速上升
C．t1～t2时间内，升降机可能匀速上升
D．t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升
答案　B
解析　在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D两项都错．
对传感器的理解
1．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．
2．当前传感器被广泛应用于各种电器、电子产品中，下述关于常用的几种家用电器所采用传感器的说法中，不正确的是(　　)
A．电视机对无线遥控信号的接收主要是采用了光电传感器
B．电子体温计中主要是采用了温度传感器
C．电脑所用的光电鼠标主要是采用了声波传感器
D．电子秤中主要是采用了力电传感器
答案　C
解析　电脑所用的光电鼠标主要采用了光传感器，所以C错误．
常见传感器的应用
3．在下列有关一些电阻应用的说法中，错误的是(　　)
A．热敏电阻可应用于温度测控装置中
B．光敏电阻是一种光电传感器
C．电阻丝可应用于电热设备中
D．电阻在电路中主要起通过直流、阻碍交流的作用
答案　D
解析　热敏电阻对温度很敏感，光敏电阻对光照很敏感，电阻丝可用于电加热，这很常见，所以A、B、C三项均正确．交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，所以D项错误．
4．电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比，现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图3所示．压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压，若发现电压表示数增大，下列说法正确的是(　　)
图3
A．电梯一定加速上升
B．电梯一定减速下降
C．电梯加速度一定向上
D．电梯加速度一定向下
答案　C
解析　由题意知，电压表示数增大说明电梯地板对压电片压力增大，故电梯处于超重状态，加速度一定向上，C对，D错；电梯可能加速上升也可能减速下降，A、B错.
(时间：60分钟)
题组一　对传感器的理解
1．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．
2.
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1
A．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
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，A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Q＝CU知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，B、C错误．
3．电容式传感器是用来将非电信号转变为电信号的装置．由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图2所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是(　　)
图2
A．甲图的传感器可以用来测量角度
B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度
C．丙图的传感器可以用来测量压力
D．丁图的传感器只能用来测量速度
答案　ABC
4．有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是(　　)
A．两个传感器都是光电传感器
B．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器
C．两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器
D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作
答案　B
解析　题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个满足条件即可，A、C、D错，B对．
题组二　常见电容器的应用
5．电子秤使用的是(　　)
A．超声波传感器
B．压力传感器
C．温度传感器
D．红外传感器
答案　B
6．传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是(　　)
A．生物传感器
B．红外传感器
C．温度传感器
D．压力传感器
答案　C
7．压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小．一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图3甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程(　　)
图3
A．物体处于失重状态
B．物体处于超重状态
C．升降机一定向上做匀加速运动
D．升降机可能向下做匀减速运动
答案　BD
解析　电流表的示数变为2I0且保持不变，说明压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误．
8.
小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制．经检查，恒温箱的控制器没有故障．参照图4，下列对故障判断正确的是(　　)
图4
A．只可能是热敏电阻出现故障
B．只可能是温度设定装置出现故障
C．热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D．可能是加热器出现故障
答案　C
解析　由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置出现故障都会向控制器传递错误信息，导致控制器发出错误指令，故C正确，A、B错误．若加热器出现故障，只有一种可能，即不能加热，而题中加热器一直加热才会使温度持续升高，故D错误．
9.
演示位移传感器的工作原理如图5所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小s.假设电压表是理想的，则下列说法正确的是(　　)
图5
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
答案　B
解析　电压表为理想电表，则电压表不分流，故滑杆移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，故A错误；电压表测的是滑杆P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的移动亦即滑杆的运动而变化，故B正确，C、D错误．
10.
如图6所示是某种汽车上的一种自动测定油箱内油面高度的装置．R是滑动变阻器．它的金属滑片是杠杆的一端，从油量表(由电流表改装而成)指针所指的刻度，就可以知道油箱内油面的高度，当滑动变阻器的金属滑片向下移动时(　　)
图6
A．电路中的电流减小，油箱油面降低
B．电路中的电流减小，油箱油面升高
C．电路中的电流增大，油箱油面降低
D．电路中的电流增大，油箱油面升高
答案　D
解析　当油箱油面升高时，由于浮力作用使金属滑片向下移动，而回路电阻减小，电流增大，故D项正确．
11．氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测．它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化，在如图7甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察仪表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标．有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的电导(即电阻的倒数)－CO浓度曲线如图乙所示，请判断，下列选项中电压表示数U0与一氧化碳浓度c之间的对应关系正确的是(　　)
图7
答案　B