实验 传感器的简单应用

第三单元 实验 传感器的简单应用

课前预习 夯实基础

考点1. 传感器的含义

传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如

考点2：传感器的分类

1. 力电传感器：力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS 防抱死制动系统等。

2. 热电传感器:热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理把热学信号转化成电学信号制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。

３. 光电传感器:光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理把光信号转变成电信号制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。

4. 声电传感器:声电传感器是利用电磁感应的原理把声音信号转变成电信号。如动圈式话筒、电容式话筒等。

5. 电容式传感器:电容器的电容C 决定于极板的正对面积S 、极板间距离d 以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器。

6. 电感传感器: 电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来测量或控制的一种装置把磁信号转变成电信号，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。

例1．（08江苏）2．2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术, 被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其它电阻应用的说法中。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到通过直流、阻碍交流的作用。

解析：A 选项：热敏电阻的原理是通过已知某电阻的电阻值与温度的函数关系，测得该热敏电阻的值即可获取温度，从而应用于温度测控装置中，A 选项正确。

B 选项：光敏电阻是将光信号与电信号进行转换的传感器，B 选项正确。

C 选项：电阻丝通过电流会产生热效应，可应用于电热设备中，C 选项正确。

D 选项：电阻对直流和交流均起到阻碍的作用，D 选项错误。

例2．用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。

解析：热敏电阻正常时电阻值大，ab 间电流小，电磁继电器磁性弱，衔铁与上触点接触，绿灯泡亮。受热时电阻值小，ab 间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接触，电铃响。

①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a 、b 端。 ②将学生用电源与绿灯泡分别接入c 、e 之间。

③将学生用电源与电铃分别接入c 、d 、之间。

点评：提高灵敏度，应该如何调节滑动变阻器？答：应该把滑动变阻器接入电路的阻值调小。在上图中滑片向右移动。

例3．加速度计是测定物体加速度的仪器，它已成为导弹、飞机、潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。如图为应变式加速度计示意图，当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器R 上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出，已知：敏感元件的质量为m ，

两弹簧的劲度系数为k ，电源的电动势为E ，

内电阻不计，滑动变阻器的总电阻为R ，有效长度为L ，静态时输出电压为U 0。试求加速度a 与输出电压U 的关系式。

解析：假设a 向右为正，位置向左△x 由牛顿第二定律：a =2(k ∆x ) ∆x ① 由分压原理：U =U 0-E ⨯② m L

由①②得：a =2k (U 0-U ) L ③ Em

答案：a =2k (U 0-U ) L Em

例4. 如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R 2 为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a 、b 之间接报警器。当传感器 R 2 所在处出现火情时，显示器的电流I 、报警器两端的电压U 的变化情况是：（ ）

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：B 解析：火情时温度升高，R 2 减小， R 总减小， I 总增大， U 内增大，U ab 减小， U R1增大，U 并减小， I A 减小

点评：热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，解决此类问题的方法同恒定电流中电路动态变化问题，唯一不同的是必须要知道热敏电阻的特性。 ①由外到内再到外，先不变后变

②增阻，增压，减流， 减阻，减压，增流

例5. 分析以下几种传感器

⑴图甲是测量 的电容式传感器，原理是

解析：角度θ，由于C ∝S ，动片与定片间的角度θ发生变化时，引起S 的变化，通过测出C 的变化，测量动片与定片间的夹角θ

⑵图乙是测量 的电容式传感器，原理是

解析：液面高度h ，由于C ∝S ，h 发生变化，金属芯线和导电液体组成的电容发生变化，通过测定C 的变化，可以测量液面高度h 的变化。

⑶图丙是测量 的电容式传感器，原理是

解析：压力F ，由于C ∝1/d ，压力F 作用在可动电极上，引起极板间距d 的变化，通过测出C 的变化，测量压力F 的变化。

⑷图丁是测量 的电容式传感器，原理是

解析：位移x ，由于C 随着电介质进入极板间的长度发生变化，通过测出C 的变化，测量位移x 的变化。

点评：电容器的电容C 决定于极板的正对面积S 、极板间距离d 以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化。

随堂练习查漏补缺

1. 关于传感器的下列说法正确的是：（ ）

A. 所有传感器的材料都是由半导体材料做成的

B. 金属材料也可以制成传感器

C. 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号

D. 以上说法均不正确

2. 如图所示, 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

路中的电流变化使电容值增大时, 则导电液体的深度h 变化为：

（ ）

A. h 增大 B. h 减小 C. h 不变 D. 无法确定

3. 在如图所示的电路中, 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 相距不远, 下列说法正确的是：（ ）

A. 当滑动触头P 向左移动时, L 消耗的功率增大

B. 当滑动触头P 向左移动时, L 消耗的功率减小

C. 当滑动触头P 向右移动时, L 消耗的功率可能不变

D. 无论怎样移动触头P , L 消耗的功率都不变

4. 在街旁的路灯, 江海里的航标都要求在夜晚亮, 白天熄, 利用半导体的电学特性制成了自动点

亮、熄灭的装置, 实现了自动控制, 这是利用半导体的：（ ）

A. 压敏性

C. 热敏性 B. 光敏性 D. 三种特性都利用

5. 传感器是一种采集信息的重要器件, 如图所示是一种测定压力的电容式传感器, 当待测压 力F 作用于可动膜片电极时, 可使膜片发生形变, 引起电容的变化. 将电容器、灵敏电流 计和电源串联成闭合电路, 那么 （ ）

A. 当F 向上压膜片电极时, 电容将减小

B. 当F 向上压膜片电极时, 电容将增大

C. 若电流计有示数, 则压力F 发生变化

D. 若电流计有示数, 则压力F 不发生变化

6. 如图所示, 截面为矩形的金属导体, 放在磁场中, 当导体中通有电流时, 导

体的上下表面的电势关系为：（ ）

A. U M >U N B. U M =U N C. U M

7. 如图所示, R 1、R 2为定值电阻, L 为小灯泡, R 3为光敏电阻, 当照射光强度

增大时：（ ）

A. 电压表的示数增大

C. 小灯泡的功率增大 B. R 2中电流减小 D. 电路中路端电压增大

8. 唱卡拉OK 用的话筒内有传感器. 其中有一种是动圈式的, 它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小线圈, 线圈处于永磁体的磁场中, 当声波使膜片前后振动时, 就将声音信号转变为电信号. 下列说法正确的是：（ ）

A. 该传感器是根据电流的磁效应工作的

B. 该传感器是根据电磁感应原理工作的

C. 膜片振动时, 穿过金属线圈的磁通量不变

D. 膜片振动时, 金属线圈中不会产生感应电动势

9. 如图实所示为光敏电阻自动计数器的示意图, 其中R 1为光敏电阻, R 2为定值电阻. 此光电计数器的基本工作原理是

A. 当有光照射R 1时, 信号处理系统获得高电压 （ ）

B. 当有光照射R 1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记数一次

D. 信号处理系统每获得一次高电压就记数一次

答案 AC

10. 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件. 现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线, 要求特性曲线尽可能完整. 已知常温下待测热敏电阻的阻值约4～5Ω.热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中, 杯内有一定量的冷水, 其他备用的仪表和器具有:盛有热水的热水瓶（图中未画出）、电源（3 V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5 kΩ）, 滑动变阻器（0～20Ω）、开关、导线若干.

（1）在下面方框中画出实验电路图, 要求测量误差尽可能小.

（2）根据电路图, 在下图的实物图上连线.

（3）简要写出完成接线后的主要实验步骤 .

11. 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干. 如图所示, 试设计一个温控电路. 要求温度低于某一温度时, 电炉丝自动通电供热, 超过某一温度时, 又可以自动断电, 画出电路图说明工作过程.

12. 如图所示为某种电子秤的原理示意图, AB 为一均匀的滑动变阻器, 阻值为R , 长度为L , 两边分别有P 1、P 2两个滑动头, P 1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN 上保持水平状态而上下自由滑动, 弹簧处于原长时, P 1刚好指着A 端, P 1与托盘固定相连, 若P 1、P 2间出现电压时, 该电压经过放大, 通过信号转换器后在显示屏上可显示物体重力的大小. 已知弹簧的劲度系数为k , 托盘自身质量为m 0, 电源电动势为E , 内阻不计, 当地的重力加速度为g. 求：

（1）托盘尚未放物体时, 在托盘自身重力作用下, P 1离A 的距离x 1.

（2）托盘上放有质量为m 的物体时, P 1离A 的距离x 2.

（3）在托盘上未放物体时通常先校准零点, 其方法是：调节P 2, 使P 2离A 的距离也为x 1, 从而使P 1、P 2间的电压为零. 校准零点后, 将物体m 放在托盘上, 试推导出物体质量m 与P 1、P 2间的电压U 之间的函数关系式.