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目标导航预习导引目标导航预习导引一二三四一、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.目标导航预习导引一二三四二、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.目标导航预习导引一二三四三、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.目标导航预习导引一二三四四、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.
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.知识精要典题例解迁移应用一二一、常用的几种传感器
1.电容式位移传感器
它利用运动物体附带的电介质板在电容器内部插入的多少来改变电容器的电容,从而把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量,再通过电容的变化引起电压变化.
2.霍尔元件知识精要典题例解迁移应用一二如图所示,厚度为d的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当恒定电流I通过金属板时,金属板的左右侧面出现电势差,这种现象称为霍尔效应.要是在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上制作四个电极E、F、M、N,就成为一个霍尔元件.霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力,在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场;横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板左右两侧会形成稳定的电压.知识精要典题例解迁移应用一二3.双金属片温度传感器
把两种热膨胀系数不同的金属片贴合在一起,制成一条双金属片,当温度发生变化时,因为两种金属片受热的量不一样而发生弯曲,使电路的开关完成闭合或断开的动作.在日光灯启动器和电熨斗中都有这种双金属片温度传感器.一二知识精要典题例解迁移应用【例1】 如图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,图乙为用此热敏电阻R和继电器做成的温控电路,设继电器的线圈电阻为Rx=50 Ω,当继电器线圈中的电流大于或等于Ic(Ic=20 mA)时,继电器的衔铁被吸合.左侧电源电动势为6 V,内阻可不计,试问温度满足什么条件时,电路右侧的小灯泡会发光?一二知识精要典题例解迁移应用答案：50 ℃ 一二知识精要典题例解迁移应用(双选)如图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,以下说法中正确的是( )
A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,UH将变小
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将发生变化一二知识精要典题例解迁移应用答案：BD一二知识精要典题例解迁移应用二、传感器的应用
1.温度传感器的应用——电饭锅
电饭锅中的控温元件是感温铁氧体,它是由氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成.其特点是常温下具有铁磁性,能够被磁体吸引,温度达到约103 ℃,失去铁磁性,该温度称为“居里温度”或“居里克”.
电饭锅的结构如图所示.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,当温度升至“居里点”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.一二知识精要典题例解迁移应用如果用电饭锅烧水,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.一二知识精要典题例解迁移应用2.声传感器的应用——话筒
话筒的作用是把声信号转换为电信号.电容式话筒的原理如图所示,Q是绝缘支架,薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器,被直流电
源充电.当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流,于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压.一二知识精要典题例解迁移应用【例2】 (多选)关于电饭锅的说法,正确的是( )
A.电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁
B.铁氧体在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性
C.用电饭锅烧水,水开时能自动断电
D.用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位
解析：电饭锅中的温度传感器其主要元件是感温铁氧体,它是由氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成.其特点是常温下具有铁磁性,能够被磁体吸引,温度达到约103 ℃,就失去铁磁性.水沸腾后,由于锅内保持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,当温度升至103 ℃时,感温铁氧体失去铁磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,它不能自动复位,切断电源,从而停止加热。
答案：BD一二知识精要典题例解迁移应用(多选)关于话筒,下列说法正确的是( )
A.无论动圈式话筒、电容式话筒,还是驻极体话筒,作用都相同,都将声波这个力学量转换成了电压或电流这个电学量
B.电容式话筒和驻极体话筒的原理相同,都是声波的变化引起电容变化,进而引起输出电压的变化
C.动圈式话筒利用通电线圈在磁场中受安培力振动实现声向电的转化
D.因为驻极体话筒价格便宜、灵敏度高,会场大都使用驻极体话筒一二知识精要典题例解迁移应用答案：AB
解析：动圈式话筒利用金属薄膜的振动带动线圈在磁场中运动,从而产生感应电流,故选项C错误.虽然驻极体话筒价格便宜、灵敏度高,但是驻极体话筒的功率太小,而且保真度较差,所以会场一般不使用驻极体话筒,选项D错误.知识链接案例探究规律方法:霍尔元件
1.霍尔元件
如图所示,在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上,制作四个电极E、F、M、N,它就成为一个霍尔元件.霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量.
2.霍尔电压
(1)其中d为薄片的厚度,k为霍尔系数,其大小与薄片的材料有关.
(2)一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值,再保持I恒定,则UH的变化就与B成正比,因此霍尔元件又称磁敏元件.知识链接案例探究3.霍尔效应的原理
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力,在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场;横向电场对载流子施加于洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板左右两侧会形成稳定的电压,设图中MN方向长度为l2,则q =qvB.
根据电流的微观解释,I=nqSv,知识链接案例探究(1)如图甲所示,将霍尔元件的BD端与多用电表的最灵敏端相连(由于霍尔电压很小,把它直接加在电流表两端,通过测量电流的变化,就可以知道电压的变化,也可用数字多用电表直接测量霍尔电压),电源E(6~12 V)与可变电阻R(470 Ω)串联后连到霍尔元件的AC端,用以输入控制电流,R的滑动端置于中间位置.将条形磁铁的磁极靠近霍尔元件H,观察多用电表指针读数的变化.知识链接案例探究保持霍尔元件H与条形磁铁磁极的相对位置不变,改变R的大小,再观察多用电表指针读数的变化.
由此得出,霍尔电压与 有关.?乙
(2)使用这个简易检测装置,检测图乙收音机扬声器附近的磁场分布情况.
检测的结果是 .?
(3)怎样用霍尔元件制成的磁场检测器来粗略检测磁场中某处磁感线的方向?说出你的判断依据.知识链接案例探究解析：(1)因为霍尔电压UH=k· ,所以在磁场及元件厚度不变的情况下,霍尔电压只与电流I成正比,即霍尔电压与电流的强弱有关.
(2)离扬声器越近的区域,电势差越大,表示该区域磁场较强;离扬声器越远的区域,电势差越小,表示该区域磁场较弱.
(3)当磁场检测器移动到某一位置,调整方位,如果这时的霍尔电压最大,则该处磁感线的方向与霍尔元件的工作面垂直,因为霍尔电压与磁感应强度成正比.
答案：见解析
第三节 传感器的应用
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.列举传感器在日常生活中的应用．
2．列举传感器在农业生产和工业生产中的应用．
3．了解传感器在航空航天事业中的应用．
4．理解常用传感器的工作原理，会分析常见传感器问题．(重点、难点)
生 活 中 的 传 感 器
1．温度传感器的应用
电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等与温度相关的家用电器．
2．红外线控制器的应用
自动门、家电遥控器、生命探测仪、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等．
3．光敏传感器的应用：照相机中．
4．压力传感器的应用：电子秤中．
1．洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器．(√)
2．自动门利用了红外线传感器．(√)
3．指纹识别器是利用压力传感器．(×)
如图3-3-1，压力传感器在全自动洗衣机中实现了怎样的信号转化？其作用是什么？
自动洗衣机水位控制原理
图3-3-1
【提示】 传感器的膜盒中的膜片受力大小不同，膜片凸起情况不同，当压力达到一定程度时凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路．压力传感器将压力这个力学信号转化成电路的通断，相当于电路中的开关．
在机场的出入口等公共场所快速准确地筛查体温偏高的人员，应用普通的体温计不可能完成，现在用非接触式测温仪可以很好地完成检测．
探讨1：这种测温仪利用了什么传感器？
【提示】 红外线传感器．由于物体的温度不同，发射红外线的情况不同，因此利用红外线敏感元件可以实现无接触测温．
探讨2：这种测温仪的优点是什么？
【提示】 (1)非接触式红外测温仪在测温时不必与被测物体表面接触．(2)可立即显示体温值．
1．常见压力传感器的敏感元件是金属应变片和半导体力敏电阻．
2．半导体力敏电阻的阻值随压力的增大而减小，常将力敏电阻与电流计串联起来，压力变化，力敏电阻变化，电流变化，把力学量转换成电学量．
1．电子秤使用的传感器是( )
A．超声波传感器 B．温度传感器
C．压力传感器 D．红外线传感器
【解析】 电子秤通过感知物体对它的压力，将其转换为电信号，并由仪表显示，来测量物体质量，所以它感知的是压力，使用了压力传感器，故C选项正确．
【答案】 C
2．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
【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，没有使用温度传感器．
【答案】 B
3．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
【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．
【答案】 B
传感器在工、农业生产和航天中的应用
1．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温度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．
2．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．
3．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．
1．无人管理的自动灌溉系统，用到了温度传感器．(×)
2．位移测量装置用到了位移传感器．(√)
人类发射的绕地球运转的所有航天器，在轨道上工作时都需要电能，所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的，要求太阳能电池板总是对准太阳，为达到这一要求应利用哪种传感器来感知太阳方位？
【提示】 光传感器
1．农业生产中的传感器
(1)湿度传感器可用来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．
2．工业生产中的传感器
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来代替人完成加工、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．
3．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．
4．类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯．下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是( )
A．是力传感器 B．是光传感器
C．是温度传感器 D．是声音传感器
【解析】 遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B对，A、C、D错．
【答案】 B
5．如图3-3-2甲所示为在温度为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，a、b端电压Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在( )
图3-3-2
A．10 ℃ B．20 ℃
C．30 ℃ D．45 ℃
【解析】 由题可知Uab＝0是一个电压的临界点，对应着开关S的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降．由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负．设电源负极的电势为零，则φa＝U，φb＝U，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得＝，代入数据得RT＝20 kΩ，查表得对应的温度为30℃，C正确．
【答案】 C
本题利用热敏电阻为传感器，将温度变化的信号转化为电信号，结合电子线路来控制加热电路.正确的电路分析、计算及看懂热敏电阻的电阻值随温度变化的曲线，是解决本类习题的关键.
