第三节 传感器的应用
学习目标
重点难点
1．认识生产、生活与技术中的传感器．2．知道传感器与计算机相结合，可实现自动化与智能化．
重点：传感器的应用．难点：传感器的应用．
一、生活中的传感器
电饭煲、电冰箱、空调机等与温度控制相关的家用电器都要用到温度传感器；自动门、家电遥控器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器，均使用了红外线传感器；另外还有照相机中的光敏传感器、家用便携式电子秤的压力传感器等．
二、农业生产中的传感器
无人管理的自动灌溉系统利用了湿度传感器；自动化温室种植中，温室的自动控温就是在传感器的帮助下实现的；现代粮库采用了温度传感器和湿度传感器．
三、工业生产中的传感器
生产安全中，如将一种埋入式光纤传感器安置在大桥或水坝中，随时可以监控大桥或水坝的裂痕等安全隐患；在自动控制系统中，如数控机床中的位移测量装置就是利用高精度位移传感器（如光栅传感器）对位移测量，从而实现精密加工．
四、飞向太空的传感器
飞机保持一定飞行高度，当飞机高度变化时，大气数据计算机自动发出与给定高度的差值信号，并通过自动驾驶仪操纵升降舵，使飞机恢复给定高度；在运载火箭、载人飞船中，应用了传感器供遥测和遥控系统使用；对宇航员的各种生理状态的测量有生理传感器，如测量血压、心电图、体温等．
预习交流
试列举传感器在生活中的应用．
答案：温度传感器：用于冰箱、空调的自动温度控制、压力传感器，用于电子秤等．
传感器的应用
电熨斗在达到设定的温度后就不再升温，当温度降低时又会继续加热，使它总与设定的温度相差不多．在熨烫不同的织物时，设定的温度可以不同．电熨斗靠什么来自动控制温度？
答案：靠双金属片温度传感器．
加速度计是测定物体加速度的仪器．在现代科技中，它已成为导弹、飞机、潜艇或宇宙飞船等制导系统的信息源．下图为应变式加速度计的示意图．当系统加速时，加速计中的敏感元件也处于加速状态．敏感元件由两弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件的下端可在滑动变阻器R上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移并转换为电信号输出．
已知敏感元件的质量为m，两侧弹簧的劲度系数均为k，电源电动势为E，电源内阻不计，滑动变阻器的总电阻值为R，有效长度为l，静态时输出电压为U0，试推导加速度a与输出电压U的关系式．
答案：
解析：设静态时滑动变阻器的滑片距左端为x，则敏感元件的输出电压为①
再设系统向左加速时滑片右移Δx，则敏感元件的动力学方程为2kΔx＝ma②
此时敏感元件的输出电压为③
联立①②③三式可得．
若U＞U0，系统的加速度方向水平向左；
若U＜U0，系统的加速度方向水平向右．
1．电熨斗的构造如下图所示
常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上层金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．
2．不同的传感器工作原理不同，但一般都是把其他物理量转化为电学量的变化．
3．在有关传感器的计算中，往往涉及电路计算，应注意欧姆定律的应用．
1．洗衣机中的水位控制装置使用的是（ ）．
A．光传感器
B．压力传感器
C．湿度传感器
D．温度传感器
答案：B
解析：当洗衣机内水位升高时，传感器的膜片受到的压力变大，当达到设定值时，关闭进水电磁阀门．
2．指纹识别器在下列哪些方面可以得到广泛应用（ ）．
A．乘坐客车购票时
B．过公路收费处时
C．放学出校门口时
D．开银行保险柜时
答案：D
解析：指纹识别用于对特定人的身份识别，在具有特殊要求的场合应用此项技术，A、B、C三项不需要严格的身份验证，所以不必使用这一技术．
3．下列器件不是应用温度传感器的是（ ）．
A．电熨斗
B．话筒
C．电饭锅
D．测温仪
答案：B
解析：电熨斗、电饭锅和测温仪都是把非电学量温度转换为电学量，都要使用温度传感器．话筒把非电学量声音转换为电学量，不要使用温度传感器．
4．机器人通过哪种传感器感知周围环境，从而避开障碍物（ ）．
A．温度传感器
B．压力传感器
C．味觉传感器
D．视觉传感器
答案：D
解析：机器人通过“眼睛”（摄像机）即视觉传感器感知周围景物，从而避开障碍物．
5．图甲为在温度为10
℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1＝20
kΩ，R2＝10
kΩ，R3＝40
kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高：当Uab＞0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃．
甲
乙
答案：35
解析：设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有：，解得：Rt＝20
kΩ．由图乙可知，当Rt＝20
kΩ时，t＝35
℃．第三节
传感器的应用
【思维激活】
观察生活中的自动控制装置中，那些地方用到了传感器？
提示：如自动门、声控开关、电饭煲等。
【自主整理】
原理及应用：传感器主要用在远距离控制或操作和自动控制技术中，不同的传感器有不同作用和应用方法及应用原理，但他们的应用模式是大同小异的，一般是传感器获得
信号
，得到微弱的
电流
，再经过
放大电路
放大此电流，然后可以用指针式电表或液晶板等
显示
测量的数据，也可用来
驱动
继电器或其它元件来执行。
【高手笔记】
1.电饭锅中温度传感器的主要元件是感温铁氧体，可以用收音机中的磁棒代替，这种磁棒也是铁氧体，居里点也是比100℃略高一些。铁氧体常温有铁磁性，温度上升到103℃时，又失去铁磁性，而当温度又下降时又恢复磁性，是铁磁性从有到无，从无到有反复的统一的一个过程，温度传感器正是利用铁氧体这一物性制成的。
学习传感器的应用，首先必须理解传感器的工作原理，其次还要清楚应用实例的基本构造，知道其中各部件包含的其他方面的知识理论，这样才能很好地认识传感器在生产技术中的应用。
2.电熨斗在达到设定的温度后，就不再升温，是利用物体受热会膨胀的原理，上面的金属片温度高于下面的金属片温度，形变量大，则它向下弯曲，触点分开，从而起到切断电源的作用。然而，当温度降低时，金属片又会收缩，当恢复原状时，两触点又接触，从而接通电路，继续加热，保持温度。
电熨斗中装金属片控制电路是利用物体热胀冷缩的属性，所以，制作传感时必须要对元器件的特征要有明确的认识。
3.电冰箱中的传感器的主要元件是一个负温度系数的热敏电阻，即它的阻值随温度的升高而减小，温度的降低而增加。电冰箱工作时，传感器都是通过CPV发出指令的。所以它是感知控制设备中不可缺少的元件。自动控制系统要获取的信息都要通过传感器将其转化为容易传输和处理的电信号。
【名师解惑】
1.如何理解电子秤的工作原理？
剖析：电子秤是一种力传感器的应用实例。这种传感器的工作原理如图3-3-1所示，弹簧钢片在的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小。F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出电压差值也就越大。
图3-3-1
2.如何理解温度传感器在电饭锅中的应用？
剖析：如图3-3-2所示电饭锅的结构示意图，当开始煮饭时，压下按钮，使永磁体与感温磁体接触，接通电源，这时温度低，感温磁体有铁磁性会与永磁体相互吸引，而不使电源断开，当饭煮熟后，水分被大米吸收，锅底温度会达到“居里温度”，此时感温磁体磁性消失，永磁体将会与感温磁体自动分开，断开电路，停止加热。
图3-3-2
【讲练互动】
例1.如图3-3-3所示，甲为半导体材料做成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线，乙为用此热敏电阻和继电器做的成的温控电路，设继电器的线圈电阻为Rx=50Ω，继电器线圈中的电流大于或等于Ic=20mA时，继电器的衔铁被吸合，左侧电源的电动势为6V，内阻可以不计，试问温度满足什么条件时，电路右侧的小灯泡会发光？
图3-3-3
解析：半导体材料制成的热敏电阻具有温度系数，即当温度升高时，电阻反而减小，若热敏电阻的阻值用Rm表示，根据闭合电路欧姆定律可知，流过线圈的电流满足I=
≥Ic时衔铁被吸合，右侧的小灯泡会发亮，代入数据得RM≤250Ω，根据图中甲所示的图象可知t≥50℃时，能够满足RM≤250Ω。
2.如图3-3-4所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（
）
图3-3-4
A.当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
解析：每当光照射在光敏电阻R1上时，R1电阻变小，串联电路中，R2上的电压变大，即信号处理系统获得高电压，A对，当信号处理系统接收到一次高电压，相应计数一次，所以此题选AD。
答案：AD
【变式训练】
1.如图3-3-5所示，将万用电表的选择开关置于“欧姆”挡，再把电表的两只表笔与负温度系数的热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中间，若往Rt上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）转动；若用吹风机向Rt吹热风，表针将向________（填“左”或“右”）转动.
图3-3-5
解析：热敏电阻是用半导体材料做成的，温度升高时，其电阻减小，第一次擦上酒精，随着酒精的蒸发温度降低，其电阻增大，欧姆表指针向在偏；第二次是吹热风，温度升高，电阻减小，欧姆瑶池指针向右偏。
答案：左
右
2.一光敏电阻和一用电器串联后接在一电源上，如图3-3-6所示。当电路中的光敏电阻受到光照射时，用电器
正常工作；当光敏电阻不受光照射时，阻值
，电流
，用电器
工作。
图3-3-6
解析：一般光敏电阻的阻值不受光照射时是受光照射的100～1000倍，电路中的光敏电阻受光照射时，电流相当强，用电器可以正常工作，而光敏电阻不受光照射时，阻值增大，电流减弱，用电器停止工作。
答案：可以
增大
减小
停止
【体验探究】
【问题】传感器在机械杠杆秤电子化改造中的应用的优点是什么？
【导思】把原来的杠杆式汽车秤改造为机电结合式电子汽车秤，在相当长的一段时间内将具有现实意义。因为就全国范围来看，存在下列不可能短期改变的现状：
【探究】（1）原已拥有大量的正常使用中的机械衡器，必要继续保养维修使用下去，从经济能力考虑，不可能废弃不用。
（2）机械秤一次投资少。例如一台500kg的机械磅秤，售价是几百元人民币，而一台电子衡器的价格为四五千元人民币。
（3）对于发展中国家，电子衡器的制作技术、维修技术、使用技术还未普及。而与此相比，对于机械衡器，一般工厂或地方计量部门都已有一支技术成熟的检定规程，有众多的定型产品可供选择。
所以，应用称重传感器来改造原来的机械秤为机电结合式电子汽车秤（如图）是可行的。该电子汽车秤具有方便、便宜等优点。第四节
用传感器制作自控装置
【思维激活】
想想我们在哪些方面引用了传感器。
提示：生活中的传感器，如遥控器、电冰箱，农业方面如自动灌溉，工业方面如机器人等。
【自主整理】
磁控防盗报警原理：磁控防盗报警器的主要元件是自动控制开关即干簧管，干簧管内部有两个软磁性簧片，软磁性物质的特性是易于磁化而又易于失去磁性。当有磁场存在时，簧片被磁场互相吸引，移去磁铁，即磁场消失，簧片失去磁性，而簧片恢复原状。蜂鸣器一般选用YMD和HMB型的，蜂鸣器能正常工作的条件是它两端的直流电压为4-6V，超过这个范围，蜂鸣器是不会鸣叫的，所以演示不成功时，可以检查电路中蜂鸣器两端电压是否在此范围之内。
【高手笔记】
学习“传感器的应用实例”这一节必须对前面三节加以复习，彻底理解其应用原理，并对传感器的构造和制成它的主要元件有一个清楚、详实的认识。
传感器在应用实例中主要起自动控制开关、远程谋取信息等作用，在电路中起控制和转化等作用，所以要对实例具体对待、具体分析。
【名师解惑】
怎样理解光控开关的工作原理？
剖析：图3-4-1所示的光控电路用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51kΩ，R2为330Ω。
图3-4-1
当天黑时，光线变弱，RG电阻变小，串联电路中RG分得电压降低，而相应二极管LED两端电压相应增加，当达到一定值时自动发光。
黎明时，光线变强，RG电阻增加，二极管LED两端电压相应降低，降低到一定值时自动熄灭，从而使RG电路中起到自动控制电路的作用。
【讲练互动】
例1.如图3-4-2所示是一种延时开关.当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通。当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放。则（
）
图3-4-2
A.由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
B.由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
C.如果断开B线圈的电键S2，无延时作用
D.如果断开B线圈的电键S2，延时将变长
解析：本题以延时开关作为密切联系实际的新情境，考查考生对电磁感应现象的理解程度和推理能力。根据题中所提示的信息，不难发现延时开关的基本工作原理：当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通。这时虽然B线圈的电键S2闭合，但通过它的磁通量不变，所以没有电磁感应现象发生。当S1断开时，A线圈立即断路，不会发生电磁感应，但通过B线圈的磁通量减少，由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用，选项B正确。如果此时断开B线圈的电键S2，则B线圈虽然产生感应电动势，但不产生感应电流，不能吸引衔铁D，无延时作用，选项C正确。
答案：BC
【变式训练】
1.如图3-4-3所示是生产中常用的一种延时继电器的示意图，铁芯上有两个线圈A和B。线圈B的两端接在一起，构成一个闭合回路，则（
）
图3-4-3
A.S接通时，灯泡L立即变亮
B.当S接通时，灯泡L过一会儿变亮
C.S切断时，灯泡L立即熄灭
D.当S切断时，灯泡过一会儿熄灭
答案：AD
【问题探究】
【问题】磁控防盗报警器是怎样完成报警任务的？
【探究】图3-4-4是一个简单的磁控防盗报警装置。门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管H，并且将干簧管接入图示的电路。睡觉前连接好电路，当盗贼开门时，蜂鸣器就会叫起来。
图3-4-4第五节
用传感器测磁感应强度
【思维激活】
在用传感器测磁感应强度方面，在实际中有哪些应用，请举例说明
提示：如用磁传感器研究地磁场，测磁感应强度。
【自主整理】
1.磁传感器是把
磁感应强度
变成
电信号
，从而实现磁感应强度测量的。
2.霍尔元件：能够把
磁感应强度
这个磁学量转换成
电压
这个电学量。
3.用传感器测磁感应强度时，通电螺线管产生
磁场
，其方向符合
右手定则
。
【高手笔记】
干簧管的元件（图3-5-1）的结构
图3-5-1
很简单，只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁体如图3-5-3所示靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”，干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
霍尔元件中半导体内部出现的电场E是个横向电场
FE =qE=Bqv
（1）
设载流子的浓度为P薄片宽度为b，厚度为d，通过电流I=Pqvbd则空速度代入（1）式，则
（2）
（2）式两边同乘以b便得到
v=Eb=
上式中称为霍尔系数。
【名师解惑】
1.磁电感应式传感器工作原理
当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通量为Φ则线圈内的感应电势e与磁通量变化率有如下关系：
图3-5-2为恒定磁通式磁电传感器典型结构图。
图3-5-2
它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。
磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图3-5-2（a））和动铁式（图3-5-2（b））的工作原理是相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为：
E=－B0lWv
式中：B0——工作气隙磁感应强度；
l——每匝线圈平均长度；
W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；
υ——相对运动速度。
【讲练互动】
例1.简述开磁路变磁通式磁电传感器测量旋转物体的匀速度原理。
图3-5-3
答案：如图3-5-3所示，线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动，每转一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。
这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速旋转体。
【变式训练】
1.简述闭磁路变磁通式传感器测量旋转物体的角速度的原理。
图3-5-4
答案：图3-5-4为闭磁路变磁通式传感器。它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮，永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。
【问题探究】
【问题】用磁传器研究地球磁场。
【导思】地球是一个巨大的磁体，外磁场的方向由南指向北，地磁场的磁感应强度很微弱，在地球表面约5×10-5T
【探究】（1）将磁传感器接入数据采集器，实验环境要远离高磁干扰区。
（2）将磁传感器放置在水平桌面上，为消除背景值的影响，应对传感器进行软件调零。
（3）在桌面上转动传感器，让传感器的测量端指向不同方向，观察并记录示数的变化，见下表
测量方向
N
EN
E
ES
S
WS
W
WN
测量值
0.03
0.02
0.00
-0.01
-0.04
-.0.02
0.00
0.01
(4)分析上表：当传感器的测量端指向北的时候，测量值最大，测量端指向南的时候，测量值最小。这说明地理北极附近为S极，地理南极附近为N极。
（5）用同样的方法，让传感器的测量端在南北方向的垂直平面内转动，观察示数的变化，可能推断出地磁场的方向既不是水平的也不是垂直的，而是指向南偏斜下方。第二节
传感器及其工作原理
【思维激活】
怎样从传感器的概念来理解传感器的原理及其用途？
提示：传感器将非电学物理量转化为电学物理量，故可利用传感器来通过电学信号的变化研究力、热、光、声等。
【自主整理】
传感器的工作原理：传感器是能将所感受的非电学物理量（如力、热、光、声）等转化成电学量（电压、电流等）的一种元件，其工作原理是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号转换成便于处理的电信号，温度传感器是利用热敏电阻将温度信号转换成电信号，光电传感器是利用光敏电阻把光信号转换成电信号等等。
【高手笔记】
要理解此原理，首先还得从理解传感器的概念着手，传感器是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的一类元件。
其次还要了解热敏元件，光敏元件等的工作原理，并知道其在实际生活中都有哪些应用，其实热敏元件以及其光敏元件它们是应用半导体导电性能受外界条件影响很大这一特点制成。
因此，（1）可以依据半导体材料的温度特性，制成体积很小的热敏电阻，它能够将温度变化转化为电信号，测量这种电信号，就可以知道温度变化的情况，这种测量方法反应快、精度高。
（2）可以依据半导体材料的光照特性，做成体积很小的光敏电阻，它可以起到开关作用，在需要对光照有灵敏反应的自动控制设备中有广泛应用。
【名师解惑】
怎样理解传感器将其它信号转化为电信号的原理？
剖析：1.可制成热敏电阻，把温度的变化转化为电信号。
有的半导体，在温度升高时电阻减小得非常迅速，它能将温度变化转化成电信号，测量这种电信号，就能知道温度的变化情况。
如自动防火报警器中就有这种热敏电阻，当温度升高到一定（快接近物质的着火点）时，这种热敏电阻的电阻值迅速减小，使电路接通，从而使警铃发出警报。
又如电子测温仪中的热敏电阻，能迅速地把人的体温变化转化为电信号，在显示屏上显示出人的体温。
2.可制成光敏电阻，把光的变化转化为电信号。
有的半导体，在光照下电阻大大减小，它能将光的变化迅速转化为电信号，在自动控制设备中有广泛的应用，如光电计数器就是利用光敏电阻自动计数的。
3.在纯净的半导体材料中掺入微量的杂质，可以制成晶体二极管和晶体三极管——统称晶体管。
晶体管（二极管、三级管）、电阻、电容、电感线圈（以后将学习）这四类电学元件组成了复杂、神秘、缤纷多彩的电子世界，从收录机、电视机、计算机、雷达、制造导弹到人造卫星的控制和回收都离不开它们。
【讲练互动】
例1.下列说法正确的是（
）
A.绝缘体是绝对不能导电的
B.电阻率介于导体和绝缘体之间的物质都是半导体材料
C.导体能导电是因为导体内有大量的自由电子，绝缘体的导电性能很差是因为绝缘体内的自由电子极少
D.当温度升高时，半导体的电阻率明显减小
解析：本题的关键是理解导体、绝缘体、半导体的概念，要形成电流，除有电势差外，还应有可自由移动的电荷，导体的导电性能好是因为导体中有大量的自由电子，绝缘体的导电性能很差，是因为绝缘体内的自由电子很少，C项正确；绝缘体内有很少的自由电子，若两端加上电压，这些自由电子将在电场力作用下发生定向移动，可形成极其微弱的电流，故A项错误；半导体材料不光要求电阻率介于导体和绝缘体之间，而且要求电阻率随温度的升高而减小，故B项错误，D项正确。
答案：CD
【变式训练】
1.对热敏电阻，正确的叙述是（
）
A.受热后，电阻随温度的升高而迅速减小
B.受热后，电阻基本不变
C.热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度，反应快，而且精确度高
D.以上说法都不对
答案：AC
【问题探究】
【问题】干簧管是怎样起开关作用的？
【导思】有磁场的簧片被磁化、无磁场时，簧片失去磁性。
【探究】干簧管内部的两个簧片是软磁性材料做成的。当它附近有磁场存在时，两个簧片被磁化而吸引在一起，接通了电路；当磁场消失后，簧片又失去磁性而断开，所以干簧管是可以用磁场来控制开关的。第四节 用传感器制作自控装置
课题：应用光敏电阻制作光控自动照明灯电路
一、实验目的
了解与传感器技术相关的物理知识，练习用传感器制作自动控制装置．
二、实验器材
二极管VD、晶闸管VS、光敏电阻RG、电阻R（7.5
MΩ）、灯泡L．
三、实验原理
由晶闸管VS与电灯L构成主回路，控制回路由R与RG组成的分压器及二极管VD构成，如下图所示．
1．白天自然光较强时，光敏电阻呈低电阻与R分压后使晶闸管VS门电极处于低电平，VS关断．
2．当夜幕降临时，照在RG上的自然光减弱，RG呈高阻，使VS的门电极处于高电平．VS获正向触发电压而导通，灯L亮．
3．改变R的阻值，即改变其与RG的分压比，可调整电路的起控点．
4．二极管VD，晶闸管VS的特性
（1）二极管：具有单向导电性．当给二极管加正向电压时，它的阻值很小；当给二极管加反向电压时，它的电阻很大．
（2）晶闸管VS：当晶闸管承受反向电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态．当晶闸管承受正向电压时，仅在门极承受正向电压情况下晶闸管才导通．
四、实验步骤
1．将多用电表旋钮拨至R×1
k挡，调零后，测量电阻R的阻值，检查R是否符合要求．
2．将多用电表旋钮拨至R×1
k挡，调零后，用两表笔分别接二极管两极，然后将两表笔位置对调．若两次测量结果一次较小，一次很大，则二极管性能良好．
3．将多用电表旋钮拨至R×1
k挡，红表笔接晶闸管K极，黑表笔同时接通G、A极，在保持黑表笔不脱离A极状态下断开G极，指针指示几十欧至一百欧，然后瞬时断开A极再接通，若指针指示∞位置，则表明晶闸管良好．
4．按照电路图，将各元件焊接，安装好．
5．检查各元件的连接，确保无误．
6．接通电源，观察强光照射光敏电阻时和用黑纸包裹光敏电阻时灯泡L的状态．
五、注意事项
1．安装前，对所有器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装．
2．焊接时，管脚必须在离管壳5
mm以上处焊接，焊接时间不宜过长．
3．注意二极管、晶闸管各极正确接入电路，不可错接、反接．
【例题】下图是一个简单的磁控防盗报警装置．门的上沿嵌入一小块永磁体M，门框内与M相对的位置嵌入干簧管H，并且将干簧管接入图示的电路．睡觉前连接好电路，当盗贼开门时，蜂鸣器就会叫起来．
请说明它的工作原理，最好通过实验模拟这个电路的工作．
答案：见解析．
解析：当门闭着时，永磁体使干簧管接通，斯密特触发器输入端与电源负极相连，处于低电平，则输出端为高电平，故蜂鸣器不发声；当开门时，没有永磁体作用，干簧管不通，斯密特触发器输入端为高电平，则输出端为低电平，则蜂鸣器通电，发声报警．
1．如下图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈．P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求．其工作方式是（ ）．
A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联
B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联
C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联
D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联
答案：A
解析：由图可知A、B是电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或排斥，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用，所以选项A正确．
2．传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用，如计算机鼠标中有位移传感器，电熨斗、电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器……演示位移传感器的工作原理如图所示，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x．假设电压表是理想的，则下列说法中正确的是（ ）．
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：物体M运动时会使滑片P左右移动，由于电压表的示数为变阻器左侧部分的电压，所以电压表示数会发生变化，所以A项错误，B项正确；但物体M的运动不会影响主电路，因此，物体M运动与否电路中仍会有电流且保持不变，但电压表会有示数且示数会发生变化，所以C、D两项都是错误的．
3．如下图所示，1是弹簧，2是衔铁，3是触点，4是电磁铁，5是热敏电阻，6是滑动变阻器，7是电铃，它们组成一种温度自动报警电路，试说明这种简单温度自动报警电路的工作原理．
答案：见解析
解析：当热敏电阻温度升高时，电磁铁电路中的电流增大，电磁铁吸引衔铁使电铃电路闭合，电铃报警；当温度下降后，电阻增大，电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧拉起，电铃电路断开，电铃不发声．
4．某市一所农村初级中学，常常因为不能及时给水塔注水而停水，小明知道后，想利用如下图所示的器材设计一个自动注水装置，A是浮子，B是金属触头，C为水塔上的柱形蓄水池，M是带水泵的电动机，D是弹簧，E是衔铁，F是电磁铁，K1、K2分别为触头开关．
（1）连接上面的电路实物图．
（2）简述其工作原理（涉及的元件可以用字母代替）．
答案：见解析．
解析：（1）如下图所示：
（2）按图接好电路，合上开关S1、S2，水泵工作，水位升高，当浮子上升使B接触到K1时，左侧电路（控制电路）工作，电磁铁F有磁力，拉下衔铁E，使K2断开，电动机M不工作，停止注水，当水位下降使B与K1脱离，电路停止工作，F无磁性，D拉动E，使K2接通，M工作．
5．一路灯控制装置如下图所示，RG为光敏电阻，光照射RG时，RG变小．白天时，继电器J两端电压是较大还是较小？要使路灯比平时早一些时间亮起来，应如何调节R1
答案：较小 使R1变小
解析：由题可知，按照逻辑分析法，引起电路状态变化的原因是照射光敏电阻RG的光的强弱．白天光照强，RG的阻值较小，R1两端的电压较大，即A点电势较高，则Y端为低电平，继电器两端电压较小，不工作，路灯不亮．而夜间的情形恰好相反．所以白天时，继电器J两端电压较小．
若使路灯早一些亮，首先要明确继电器的动作电压UJ一定，Y端电平一定，A端电平一定，则R1两端的电压U1一定，因，则可知要使路灯早些亮时，环境光线仍较强，RG较小，要保证U1一定，必须调节R1使其变小．第一节
认识传感器
【思维激活】
在爱国主义教育影片《地雷战》中，有鬼子拿着探雷器探测地雷的镜头。你知道探雷器是利用什么工作原理的吗？
提示：探雷器是利用涡流工作的。它的组成主要是一个长柄线圈，线圈中通有变化的电流，线圈中通有变化的电流，线圈贴着地面涡流，涡流的磁场反过来会影响线圈中的电流，使探雷器发出警报声。这种探
雷器只能探测金属地雷或有较大金属部件的地雷。像《地雷战》中的石头地雷它是探测不到的。
【自主整理】
传感器：1。传感器是能将所感受的物理量如
力
、
热
、
光
、
声
等换成便于
电学
的量的一种元件。
2.光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号的传感器；热电传感器是利用热敏电函将温度信号转换成电信号的传感器。
【高手笔记】
1.传感器
传感器是通过对某一物理量敏感的元件（如光敏电阻、热敏电阻等）将感受的信号（如：力、热、光、声信号）转换成便于测量的量（一般是电学量）从而直接反应出具体变化。
传感器中的主要部件一般是阻值容易随光照、温度、受力等变化而变化的材料制成的电阻。如光敏电阻、热敏电阻，就可以把光、热的信号变化转换为电信号的变化。如果这些电阻再和继电器、控制系统配合，就可以进行自动计数、自动报警等自动控制工作了。
2.光电计数器是怎样实现自动计数的？
剖析：光电计数器利用光敏电阻的特性，当射向光敏电阻的光被遮，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变高；当射向光敏电阻的光无物品挡住时，光敏电阻的阻值变小，供给信号处理系统的电压变低，这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理，就会将其转化为相应的数字，实现自动计数的功能。
【名师解惑】
1.光敏电阻的阻值与光照强度是什么关系？
剖析：光敏电阻的阻值随强度的增大而减小，有的光敏电阻在无光照射时为几十兆欧姆，当光照射后电阻只有几十千欧姆。
2.热敏电阻的阻值与温度高低是什么关系？
剖析：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，（负温度系数），这与金属的电阻率随温度的升高而增加是不同的，如半导体锗材料，当温度从20℃上升到32℃时，它的电阻率将减小一半左右。
【讲练互动】
例1.如图3-1-1所增是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化为（
）
图3-1-1
A.h增大
B.h减小
C.h不变
D.无法确定
解析：由题意知，导线芯和导电液体构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极，当液面高度发生变化时，相当于两极正对面积发生变化，会引起电容的变化，与平行板电容器类比可得，导电液体深度h增大时，导电芯和导电液体正对面积增大，电容器的值变大，故答案是A。
答案：A
【变式训练】
1.如图3-1-2所示，A是浮子，B是金属触头，C为住宅楼房顶上的蓄水池，M是带水泵的电动，D是弹簧，E是衔铁，F是电磁铁，S1、S2分别为触头开关，S为开关，J为电池。请利用上述器材，设计一个住宅楼顶上的自动注水装置。
图3-1-2
（1）连接电路图（如图3-1-2）
（2）简述其工作原理。（涉及的元件可用字母代替）
解析：（1）电路图如图3-1-3所增：
图3-1-3
（2）按图接好电路，合上开关S，水泵工作，水位升高，当浮子上升使B接触到S1时，左侧电路（控制电路）工作，电磁铁F有磁力，拉下衔铁E。使S2断开，电机M不工作，停止注水，当水位下降使B与S1脱离接触时，控制电路停止工作，F无磁性，D拉开E，使S2接通，M工作。
【问题探究】
【问题】探究变隙电感式压力传感器是如何测量压力的？
【导思】根据压力的变化分析引起其它量的变化。
【探究】图3-1-4是变隙电感式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。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，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。
图3-1-4第五节 用传感器测磁感应强度
一、实验目的
观察通电螺线管内部磁感应强度的大小．
二、实验原理
通电螺线管产生磁场，磁场的方向符合右手定则
三、实验器材
磁传感器、数据采集器、微机、螺线管、稳压电源、直尺、导线等．
四、实验装置
如图所示．
五、实验过程及数据分析
1．将磁传感器连接数据采集器．
2．螺线管接入6
V稳压电源，水平放置在桌面上．调节磁传感器的高度，使探针正好在螺线管的轴心线上滑动．
3．打开“计算表格”，调节磁传感器测量端的前沿与螺线管一端相距1
cm．
4．增加“变量s”表示磁传感器移动的相对距离，点击“手动”记录当前的磁感强度值，输入s值为“0”．
5．将磁传感器向螺线管方向每次移动0.5
cm，并记录各次对应的数据．
6．打开“坐标绘图”窗口，选择x轴为“s”、y轴为“B1”，得到通电螺线管内部的磁感应强度与相对距离的关系图线，如图所示．
7．点击“锁定”按钮，锁定当前图线，电源电压调整为3
V，重复步骤3～6，得到另一条图线，比较两条图线的异同，如图所示．
电压不同时螺线管内部的磁感应强度比较
8．将位移传感器接入数据采集器的第一输入口，用位移传感器测出的距离代替上述实验中人工读取数据，磁传感器接入第二输入口，在“坐标绘图”中设置显示“位移—磁感应强度”图象．
9．拉动磁传感器在螺线管中运动，坐标系中将显示出螺线管不同位置的磁感应强度曲线．改变供电源电压（改变线圈中的电流），重复上述实验，可得出几组不同的实验曲线，如图所示．
【例题】简述开磁路变磁通式磁电传感器测量旋转物体的转速的原理．
答案：如上图所示，线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动，每转一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电动势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积．
1．物理实验中，常用一种叫“冲击电流计”的仪器测定通过电路的电荷量．如下图所示，探测线圈和冲击电流计串联后，可用来测定磁场的磁感应强度．已知线圈的匝数为n，面积为S，线圈与冲击电流计组成的回路电阻为R，把线圈放在被测匀强磁场中，开始线圈平面与磁场垂直，现把探测线圈翻转180°，冲击电流计测出通过线圈的电荷量为q，由上述数据可测出被测磁场的磁感应强度为（ ）．
A．
B．
C．
D．
答案：C
解析：当线圈翻转180°，线圈中的磁通量发生变化，线圈产生的平均感应电动势，线圈中的平均感应电流，通过线圈的电量，由以上各式得：，故正确选项为C．
2．为了研究海洋中水的运动，海洋工作者有时依靠水流通过地磁场产生的感应动势以及水的流速测地磁场的磁感应强度向下的分量B．某课外活动兴趣小组由四个成员甲、乙、丙、丁组成，前去海边某处测量地磁场的磁感应强度向下的分量B．假设该处的水流是南北流向，且流速为v，问下列哪种测定方法可行（ ）．
A．甲将两个电极在水平面沿水流方向插入水流中，测出两极间距离L及与两极相连的测量电势差的灵敏仪器的读数U，则
B．乙将两个电极在水平面沿垂直水流方向插入水流中，测出两极间距离L及与两极相连的测量电势差的灵敏仪器的读数U，则
C．丙将两个电极沿垂直海平面方向插入水流中，测出两极间距离L及与两极相连的测量电势差的灵敏仪器的读数U，则
D．丁将两个电极在水平面上沿任意方向插入水流中，测出两极间距离L及与两极相连的测量电势差的灵敏仪器的读数U，则
答案：B
解析：因需测量地磁场向下的分量B，而水流方向为南北流向，相当于东西方向的导体切割磁感线，此时E＝BLv，所以导体应在垂直于水流方向，即把电极沿东西方向插入水中，测出两极距离L和电压U，可得，正确选项为B．
3．如下图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值．如果保持电流I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法中错误的是（ ）．
A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，UH将变大
B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平
D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化
答案：C
解析：一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由，知UH将变大，故选项A正确；两极处磁场可看做与地面垂直，所以霍尔元件的工作面应保持水平，故选项B正确；赤道处磁场可看做与地面平行，所以霍尔元件的工作面应保持竖直，故选项C错误；若磁场与工作面的夹角为θ，则应有，可见θ变化时，UH将变化，故选项D正确．
4．如图所示是一个可以用来测量磁感应强度的装置：一长方体绝缘容器内部高为L，厚为d，左右两管等高处装有两根完全相同的开口向上的管子a、b，上、下两侧装有电极C（正极）和D（负极），并经开关S与电源连接，容器中注满能导电的液体，液体的密度为ρ；将容器置于一匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里．当开关断开时，竖直管子a、b中的液面高度相同，开关S闭合后，a、b管中液面将出现高度差．若当开关S闭合后，a、b管中液面将出现高度差为h，电路中电流表的读数为I，求磁感应强度B的大小．
答案：
解析：开关S闭合后，导电液体中有电流由C流到D，根据左手定则可知导电液体要受到向右的安培力F作用，在液体中会产生附加压强P．这样a、b管中液面将出现高度差．则在液体中产生附加压强
又因为安培力F＝BIL
所以磁感应强度B的大小为．
5．沿自由小磁针在地面静止的位置所作的竖直平面叫做地磁子午面．当有其他磁场影响时，磁针就会偏离原来的地磁子午面．这时，我们可以根据小磁针偏离原磁子午面的俯角大小来估测其他磁场的磁感应强度．各地地磁场磁感应强度（水平分量）Bx随纬度的不同而有所不同，以下列出我们几个地区的Bx值．
地名
北京
沈阳
兰州
上海
武汉
成都
广州
B/×10－4
T
0.289
0.277
0.312
0.333
0.343
0.356
0.375
某同学在上海用小磁针测条形磁铁的磁感应强度，如图所示，小磁针的偏转角为θ＝53°，则条形磁铁在小磁针处的磁感应强度是多少？
答案：4.44×10－5
T
解析：由表格知上海地磁场磁感应强度（水平分量）Bx＝0.333×10－4
T，小磁针的偏转角为θ＝53°，则由矢量合成得，得B＝Bxtan
53°＝0.333×10－4×T＝4.44×10－5
T．第一节 认识传感器
第二节 传感器的原理
学习目标
重点难点
1．能记住什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义．2．认识一些制作传感器的元器件，知道这些传感器的工作原理．
重点：传感器的工作原理．难点：传感器的工作原理．
一、传感器的概念
1．传感器：测量和探索自然界各种参数的检测元件．
2．传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成．
二、传感器的分类
1．按被测量分类：加速度传感器、速度传感器、位移传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等．
2．按工作原理分类：电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器等．
3．按能量传递方式分类：有源传感器和无源传感器两大类．
三、两种重要的传感器
1．温度传感器：一种将温度变化转换成电学量变化的装置．热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量的，它就像人的皮肤，能感受到周围温度的变化．
2．光电传感器：一种将光学量转换成电学量的传感器，就是物体在光作用下其导电性能发生变化，如光敏电阻等，它就像人的眼睛，可以看到光线的强弱．
预习交流
在日常生活中，人们不必直接接触，就可以控制一些机器，试举一些生活中的例子，看哪些生活用品是通过传感器来完成的．
答案：红外线遥控器、楼道内的声控灯、自动门、自动干手机等．
一、对传感器的理解
夜晚，楼道里漆黑一片．但随着我们的脚步声响，楼道的灯亮了；我们登上一层楼，灯光照亮一层楼，而身后的灯则依次熄灭．这种楼道灯的控制装置好像能“看见”我们的到来，开灯迎接；又好像能“听到”我们的离去，关灯节能．这其中的奥妙是什么？
答案：在电路中安装了一种能将声、光信号转换为电信号的传感器——声光延时开关．
当你走进豪华宾馆、酒楼的大门时，门就自动为你打开，当你走进门之后，门又在你身后自动关上，你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用信息的（ ）．
A．温度
B．运动
C．人
D．光线
答案：D
解析：自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，夏季自动门无法操作，自动门实际上是使用的红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器收到人体发出的红外线后传到自动控制装置的电动机，实现自动开门．
1．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，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作．传感器组成图如下图所示．
2．把非电学量转换为电学量后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．
二、常见的敏感元件
如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？
答案：当光被物件挡住时，R1的电阻增大，电路中的电流减小，R2两端的电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个物件就获得一次低电压，计数一次．
如下图是一火警报警装置的一部分电路示意图，其中R2是半导体热敏传感器，它的电阻随温度升高而减小，a、b接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比（ ）．
A．I变大，U变大
B．I变小，U变小
C．I变小，U变大
D．I变大，U变小
答案：D
解析：当传感器R2所在处出现火情时，温度升高，R2电阻减小，电路的总电阻减小，总电流I增大，路端电压Uab＝E－Ir减小，I（r＋R1）增大，U并＝E－I（r＋R1）减小，通过R3的电流I3减小，通过R2的电流I2＝I－I3增大，D项对．
1．光敏电阻的阻值随光的强度的增大而减小，光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量．
2．热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，热敏电阻或金属热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量．
1．关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）．
A．受到光照越强，电阻越小
B．受到光照越弱，电阻越小
C．它的电阻与光照无关
D．以上说法都不准确
答案：A
解析：光敏电阻受到的光照越强，电阻越小．
2．下面元件不属于温度传感器应用的是（ ）．
A．电熨斗
B．电饭锅
C．测温仪
D．鼠标器
答案：D
解析：A、B、C是温度传感器，D是光传感器．
3．下述仪器或装置中，没有用到传感器的是（ ）．
A．自动报警器
B．弹簧秤
C．电视遥控器
D．红外线探测仪
答案：B
解析：A、C、D中的仪器或装置的作用都是把非电学量转化为电学量．
4．如下图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时（ ）．
A．电压表的示数减小
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
答案：BC
解析：光的强度是被测量，光敏电阻R3为敏感元件，同时也是转换元件．当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A、D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确．
5．如下图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻R1的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将R1包裹起来，表针将向________（选填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射R1，表针将向________（选填“左”或“右”）转动．
答案：左 右
解析：光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，指针向右偏，所以将R1包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏．
