第六章 传感器分析

物理选修3—2第六章传感器第一节传感器及其工作原理（1课时）一、导学流程课程导入：在电子计算机广泛应用、在信息技术高速发展的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，例如常用的自动报警器、电视遥控接收器、红外探测仪等都离不开传感器，试说明传感器是哪一类元件。

探究新知（一）什么是传感器如图6-1-1所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁B放在盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。

盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？（2）干簧管元件电子电路中常用到一种称为“干簧管”的元件，它的工作原理是什么？（3）传感器的定义（4）说明：上面对传感器的定义，只有一种形象定义方法，并不是严格定义，严格来说，①广义定义：传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等的信息，并能将之转化为可以利用的信息的装置。

②狭义定义：感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信息的装置。

③由于电信号易于保存、放大、计算、传输，且是计算机惟一能够直接处理的信号，所以传感器的输出一般是电信号（如电流、电压、电阻、电感、电容、频率等）。

但不能认为输出的一定是电信号，传感器的快速发展，其品种已达数万，我们今天学习的只是最基本的几种而已。

札记札记（二）光敏电阻（1）光敏特性实验按图6-1-3所示，将一光敏电阻连入电路中，将多用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两端相连，在欧姆挡上选择适当的倍率，观察表盘所示光敏电阻的阻值；①用手掌遮住光线，光敏电阻在暗环境中，电阻值，上下移动手掌时，光敏电阻阻值明显。

②用强光照射电阻，电阻阻值很。

③换用普通电阻，去掉表面部分漆层，重做上述实验，没有上述现象发生，说明普通电阻不具备光敏特性。

（2）试解释光敏电阻特性的原因例1：图6-1-4所示，是利用光敏电阻自动计数（数传送带上的物体）的示意图，其中A是发光仪器，B是接收信号的仪器，B中的主要元件是光电传感器——光敏电阻，试说明计数原理。

（三）热敏电阻和金属热电阻（1）什么是金属热电阻？它常用什么材料制作？（2）什么是热敏电阻？它常用什么材料制作？（3）说说金属热电阻和热敏电阻的相同点与不同点。

例2：按图6-1-5所示将一热敏电阻连入电路中，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热敏电阻两端相连，将热敏电阻放入有少量冷水并插有温度计的烧杯中，在欧姆挡上选择适当的倍率，观察表盘所示热敏电阻的阻值；再分几次向烧杯中倒入开水，观察不同温度下热敏电阻的阻值，说说这个热敏电阻的阻值是如何随温度变化的。

（四）霍尔元件在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E 、F 、M 、N ，就成为一个霍尔元件，如图所示，在E 、F 间通以恒定的电流I ，同时外加与薄片垂直的磁场B ，则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M 、N 间出现了电压，称为霍尔电压U H 。

可以证明dIB KU H 式中d 为 ，K 为 ，它的大小与薄片的材料有关。

一个霍尔元件的d 、K 为定值，再保持I 恒定，则H U 的变化应与B 正比。

霍尔元件能够把 这个磁学量转换为 这个电学量。

例3：在上图中，从相对的两个极E 、F 接出两条导线，与限流电阻及电流计串联后接到干电池上，调整电阻使通入的电流约为10mA ，将另一对电极M 、N 接到多用表的200mV 直流电压挡上。

将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，即写有字符的表面，将会看到霍尔电压怎样变化？用另一个磁极去接近，又会看到什么现象？改变磁感线与霍尔元件工作面夹角，再次观察这个电压的变化，并解释发生的现象。

二、巩固练习：第60页问题与练习1. 21．如图6-1-7所示，为测定压力的电容式传感器，将电容器、灵敏电流计（零刻度在中间）和电源串联成闭合电路，当压力F 作用于可动膜上电极上时，膜片产生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流计指针偏转，那么从恒定压力开始作用到膜片形态稳定过程中，灵敏电流计指针偏转情况应是（设电流从电流计“十”接线柱流入时，指针向右偏转。

）（ ）A ．向右偏转，然后又回到零刻线处B ．向左偏转，然后又回到零刻线处C ．向右偏转到某一刻度处静止不动D ．向左偏转到某一刻度处静止不动 2．家用电热灭蚊器中电热部分的主要元件是PTC.PTC 元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图6-1-8所示，由于这种特性，因此，PTC 元件具有发热、控温双重功能，对此，下列判断正确的是（ ）A ．通电后，其功率先增大后减小B ．通电后，其功率先减小后增大C ．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在1t 或2t 不变D ．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在1t ～2t 的某一值不变札 记3．图6-1-9是一种通过测量电容器电容的变化，来检验液面高低的仪器原理图（这种仪器的优点是将非电学量的变化转化为电信号，使测量自动化），容器中装有导电液体，是电容器的一个电极；中间的芯柱是电容器的另一个电极，芯柱外面套有绝缘管（塑料或橡皮）作为电介质，电容器的两个电极分别用导线接到指示器上，指示器显示的是电容的大小，于是从电容的大小就可以知道容器中液面位置的高低。

（1）如果指示器显示出电容增大了，则液面将升高还是降低，其原因是什么？（2）如果指示器显示出电容减小了，则液面又将如何变化？4．如图6-1-10所示，当被测物体在左右方向发生位移时，电介质随之在电容器两极板之间移动，如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化，用什么方法可以检测电容的变化？5．如图6-1-11所示为温度警报灯的示意图，试叙述其基本工作原理，如果要改变报警温度，应如何调节？三、本节小结：札记第二节传感器的应用（一）（1课时）一、导学流程通过你的观察了解和学习，试说出你所知道的传感器的种类，例如，力电传感器等。

它们各是把什么量转化为什么量？探究新知（一）传感器应用的一般模式（二）力传感器的应用——电子秤试简述应变片测力原理应变式力传感器可以用来测重力、外力、拉力等各种力。

应变片能够把这个力学量转换为这个电学量。

例1：如图6-2-2所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下使滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大，这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上A、B间长度为L，最大阻值为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数K，试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系。

（三）声传感器的应用——话筒1．动圈式话筒原理在剧场里，为了使观众能听演员的声音，常常需要把声音放大，放大声音的装置主要包括话筒，扩音器和扬声器三部分（图6-2-3）传感器放电电路转换札记话筒是把声音转变为电信号的装置，如下图（左）是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，这个信号经扩音后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

2．电容式话筒原理如上图（右）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。

3．驻极体话筒原理与电容式话筒相似，它的特点是体积小、质量轻、价格便宜、灵敏度高，工作电压只需3—6V，例2：磁带录音机主要由机内话筒、磁带、录放磁头、放大电路、扬声器、传动机构等部分组织，图6-2-6是录音机的录、放原理示意图，简述原理。

（四）温度传感器的应用——电熨斗1．日光灯启动器中的双金属片日光灯启动器的构造如图6-2-7所示，它主要是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个是固定的静触片，另一个是用双金属片制成的U形动触片，通常，动、静触片间不接触，有一小缝隙，双金属片受札记札记热时，两层金属膨胀的程度不同，下层的膨胀多些，会使U形动触片稍稍伸开一些，而与静触片接触，当双金属片处于常温下，U形动触片冷却收缩，两个触片分离，双金属片就是温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断。

2．电熨斗的自动控温原理电熨斗在达到设定温度后不再升温，当温度降低时又会继续加热，当温度超过设定温度时，电路断开，停止加热，使它总与设定温度相差不多。

试简述电熨斗自动控温的原理？例3：在一串节目的彩泡的电路中串接一个日光灯启动器，你会看到什么现象？并解释这一现象。

（图6-2-9 ）三、巩固练习（一）基础过关题第64页—65页问题与练习1—31．电子秤的测力装置由金属梁和应变片组成的力传感器，传感器受力时，上表面应变片受力拉伸其电阻，下表面应变片受力压缩其电阻，把应变片电阻变化变换成电压差输出，传感器受力越大，电压差。

2．如图6-2-10所示，一般会场用的大多是动圈式话筒，其原理是电磁感应，试说明它是怎样把声信号转换成电信号的？札记3．用电熨斗熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的？（二）能力提升题4．如图所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道做匀加速直线运动的列车的加速度。

m是一个金属球，它系在细金属丝的下端，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，电阻丝的中点C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两导线之间接入一个电压表V，金属丝和导线内阻不计，图中虚线OC与AB相垂直，且OC=h，电阻丝AB接在电压为U的直流电源上，整个装置固定在列车中使AB沿着列车前进的方向，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，从电压表的读数变化可以测出加速度的大小。

（1）当列车在水平轨道向右做匀加速直线运动时，试写出加速度a与金属丝偏角 的关系；写出加速度a与电压表读数'U的对应关系，以便重新刻制电压表表盘使它成为直接读加速度数值的加速度仪。

（2）这个装置能测得的最大加速度为多大？（3）为什么C点设置在电阻丝AB的正中点？对电压表的选择有何特殊要求？三、本节小结：第三节传感器的应用（二）（1课时）札记一、导学流程你的家庭、学校和附近的公共设施中，有哪些地方使用了传感器？这些传感器各是什么类型的？各起了什么作用？探索新知（一）温度传感器的应用-----电饭锅1．感温铁氧体感温铁氧体是用氧化猛、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的。