该【高二物理必修之知识讲解传感器及其应用(应用实例) 】是由【PIKAQIU】上传分享，文档一共【14】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【高二物理必修之知识讲解传感器及其应用(应用实例) 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。传感器及其应用〔应用实例〕 【学习目标】 传感器的传感元件是如何将非电学量转化电学量的。 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，不要求理解或把握〕 【要点梳理】 学问点一、温度传感器的应用——电饭锅 感温铁氧体 组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末。 特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度到达约103℃ 时，失去铁磁性。 居里点：又称居里温度，即指103℃ 。 电饭锅的构造如下图： 电饭锅的工作原理 开头煮饭时，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，连续加热，直到饭熟后，水分被大米吸取，锅底温度上升，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，触点分别，切断电源从而停顿加热。 要点诠释：假设用电饭锅烧水，在水沸腾后由于水温保持在100℃ ，故不能自动断电， 只有水烧干后，温度上升到103℃ 才能自动断电。 学问点二、温度传感器的应用——测温仪 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。 温度传感器测温仪的优点：可以远距离读取温度的数值，由于温度信号变成电信号后可以远距离传输。 学问点三、光传感器的应用 机械式鼠标：其内部组成如下图，包括滚球、滚轴与码盘、红外放射管与红外接收管〔光传感器〕。 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x、y 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。 火灾报警器 如下图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、光电三极管和不透亮的挡板。寻常，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，使局部光线照 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。学问点四、常见传感器的应用实例 生活中的传感器 与温度掌握相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器。 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。 照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器。 农业生产中的传感器 湿度传感器：推断农田的水分蒸发状况，自动供水或停水。 温度传感器和湿度传感器，可对上百个点进展温度和湿度监测。由于有了格外先进牢靠的测试技术，有效地削减了霉变现象。 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，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正确状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等。 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展位移测量，从而实现对零部件的周密加工。 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。这些传感器对掌握航天器的姿势、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。 学问点五、光控开关 斯密特触发器 当输入端电压渐渐上升到某一个值〔 V 〕时，输出端会突然突然从高电平跳到低电平〔 V 〕，当输入端电压下降到另一个值〔 V 〕时，输出端会从低电平跳到高电平 〔 V〕。 工作原理 对于如下图的光控电路： 白天，光强度较大，光敏电阻R G 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；当天色暗到肯定程度时， R G 的阻值增大 到肯定值，斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到某个值〔 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〕，这样就到达了使路灯天明熄灭，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，应当把 R 1 触发器的输入端 A 电压到达某个值〔 V 〕，就需要 R 的阻值调大些，这样要使斯密特 的阻值到达更大，即天色更暗。 G 课本图乙电路分析 由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯仿照路灯，就要使用继电器来启闭供电电路，如下图。灯泡可用“ ”的，继电器可以使用HRS1H S型微型继电器以 便能够插在试验板上。图中J 为继电器，工作电压为5 V ， Ja 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。 图中 J 与 Ja 是相互联系的整体。 在掌握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。二极管的存在可以供给自感电流的通路。 学问点六、温度报警器 电路原理如下图，常温下，调整 R 1
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；当温度上升时，热敏电阻R 阻 T 值减小，斯密特触发器输入端 A 电势上升，当到达某一值〔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， R 1 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R 1 的阻值， R 1 阻值越 小，要使斯密特触发器输入端到达高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。学问点七、一些元器件的原理和使用 一般二极管和发光二极管 都具有单向导电性。 发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。一般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， V 。 晶体三极管 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放射极e 、基极b 和集电极c 。 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 的电流起了掌握作用。 规律电路 对于与门电路，只要一个输入端输入为“ 0 ”，则输出端肯定是“ 0 ”；反之，只有当全部输入端都同时为“1”，输出端才是“1”。 对于或门电路，只要有一个输入端输入为“1”，则输出端肯定是“1”；反之，只有当全部输入端都为“ 0 ”时，输出端才是“ 0 ”。 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。 斯密特触发器是具有特别功能的非门。 【典型例题】 类型一、温度传感器的应用 例 1．如下图是电饭煲的电路图，S 1
是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达 到居里点〔103℃ 〕时，会自动断开，S 是一个自动控温开关，当温度低于70℃ 时，会自 2 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 R = R 1 2 = 500Ω ，加热电阻丝 R 3 = 50Ω ，两灯电阻不计。 分析电饭煲的工作原理。 计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。 简要答复，假设不闭合开关S 1 ，能将饭煮熟吗？ 【思路点拨】先搞清楚S 、 S 1 2 两控温开关的作用，在明确控温过程。 【答案】见解析 【解析】此题考察了温度传感器的实际应用，解题关键是清楚S 、 S 1 2
两控温开关的作 用。 电饭煲盛上食物后，接上电源， S 2
自动闭合，同时手动闭合S 1
，这时黄灯短路， 红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到 80℃ 时， S 2 自动断开， S 1 仍闭合；水烧开后，温 度上升到居里点103℃ 时，开关 S 1 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， S 自动闭合，电饭煲重加热，温度到达80℃ 时， 2 S 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 P 2 两式中 U 2 R = ，保温时电饭煲消耗的电功率P = 2 并 U 2 R + R ， 并 R R 500 ´ 50 500 P = R 2 3 = W = W 。 2 + R 2 3 500 + 50 11 P R + R 500 + 500 从而有 1 = 1 并 = P R 并 11 = 12 。 500 11 假设不闭合开关S 1 ，开关 S 2 总是闭合的， R 1 被短路，功率为 P ，当温度上升到 1 80℃ 时， S 2 自动断开，功率 P 降为 P 2 ，温度降低到70℃ ， S 2 自动闭合……温度只能在 70℃～80℃ 之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。 【总结升华】生疏电饭煲的工作原理，明确控温过程是解题的关键。 例 2．(2025 北京四中三模)如下图，一热敏电阻 R 放在控温容器 M 内；A 为毫安 T 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 Ω，S 为开关。 R 在 95 ℃时的阻值为 150 Ω，在 20 ℃时的 T 阻值约为 550 Ω。现要求在降温过程中测量在20～95 ℃之间的多个温度下 R 的阻值。 T 在图中画出连线，完成试验原理电路图。(2)完成以下试验步骤中的填空： a．依照试验原理电路图连线。 调整控温容器 M 内的温度，使得 R 的温度为 95 ℃。 T 将电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全。 闭合开关。调整电阻箱，记录电流表的示数I ，并记录 。 0 将 R 的温度降为 T (20 ℃＜ T ＜ 95 ℃)；调整电阻箱，使得电流表的读数 T 1 1 ，记录 。 温度为 T 时热敏电阻的电阻值 R ＝ 。 1 T1 逐步降低 T 的数值，直到 20 ℃；在每一温度下重复步骤ef。 1 【答案】(1)见解析 R ；e．仍为 I 电阻箱的读数 R ；f．R －R ＋150 Ω 0 0 1 0 1 【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)本试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。 95 ℃和 T1 时对应的电路的电阻相等，有 150 Ω＋R0＝RT1＋R1，即 RT1＝R0－R1＋150 Ω。 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试验电路，电源电压恒定。电流表内阻不计，开关闭合后，调整滑动变阻器滑片，使小灯泡发光渐渐增加，测得流过电阻 R 的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试依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推断：当入射光增加时，光敏电阻的阻值变化，流过光敏电阻的电流变化。依据题意设计出的路灯自动掌握电路。 【答案】如下图 【解析】由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增加时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。 依据题意设计的路灯自动掌握电路如下图。 掌握过程是：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，掌握路灯电路接通，路灯开头工作。 【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、光照自动调整装置等自控设备。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，因此它的应用格外 广泛。 例 4．如下图，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，以下说法中正确的选项是 〔 〕 当滑动触头 P 向左移动时， L 消耗的功率增大 当滑动触头 P 向左移动时， L 消耗的功率减小 当滑动触头 P 向右移动时， L 消耗的功率可能不变 无论怎样移动触头P ， L 消耗的功率都不变 【答案】A 【解析】此题考察了光敏电阻的特性及电路分析学问。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留意电源电压是恒定的是解决此题的关键。 类型三、电磁继电器与自动掌握 例 5．如下图为低压掌握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，再分析掌握电路原理。 【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。如下图，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 分别，自动切断工作电路。 〔2〕掌握电路原理 天较亮时，光敏电阻R G 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R G 电阻增大，斯密特触发器 输入端 A 电势上升，当上升到肯定值，输出端Y 由高电平突然跳到低电平，有电流通过线 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，R G 阻值减小，斯密特 触发器输入端 A 电势渐渐降低，降到肯定值，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】在掌握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。二极管的存在可以供给自感电流的通路。 举一反三: 【：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R - t 图像，图乙为用热敏电阻R 和继电器组成的一个简洁恒温箱温控电路。继电器线圈的电阻为10Ω ，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E = ,内阻不计。图乙中的电源是恒温箱加热器的电源，则： A、B 、D 端 ℃ ，可变电阻 R” 的值应调整到350Ω ℃ ，可变电阻 R” 的值应调整到360Ω 【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 的电压渐渐上升到某个值〔 V 〕时， 输出端Y 会突然从高电平跳到低电平〔 V 〕，而当输入端A 的电压下降到另一个值的时候〔 V 〕，Y 会从低电平跳到高电平〔 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，而这正是进展自动掌握所必需的。 现用斯密特触发器与热敏电阻R T 组成温度报警器，电路如图乙所示，图中蜂鸣器可以 选用YMD 或HMB型，它两端的直流电压为4 V～6 V 时会发出鸣叫声； R T 为热敏电阻， 常温下阻值约几百欧，温度上升时阻值减小。R 1 的最大电阻可在1 kΩ～2 kΩ 间选择。 接通电源后，先调整R 1 ，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R 1 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；当温度上升时， 热敏电阻研阻值减小，斯密特触发器输入端A 电势上升，当到达某一值〔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， R 1 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R 1
的阻值， R 1
阻值越小，要使斯 密特触发器输入端到达高电平，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别功能的非门，常用符号 表示；在规律电路中， 常常把电势的凹凸叫做“电平”的凹凸，“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OC h ，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。 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 U＇、U、L、h 及重力加速度 g 等表示〕。 用导出的a 与U＇的关系式说明表盘上a 的刻度是否均匀？ C 点设置在电阻丝 AB 中点的缘由是 ，对电压表的选择有什么特别要求 。
