
目 標(biāo) 素 養(yǎng)1.了解傳感器的定義,感受傳感器的應(yīng)用技術(shù)在信息時(shí)代的作用與意義。2.知道將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的意義。3.知道傳感器的組成與應(yīng)用模式。
一、神奇的傳感器1.傳感器的定義。能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測(cè)量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號(hào)輸出。通常轉(zhuǎn)換成的可用信號(hào)是電壓、電流等電學(xué)量,或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。2.非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義。把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量,可以很方便地進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制。
二、傳感器的種類(lèi)1.物理傳感器:利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)制作而成的傳感器,如力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器。2.化學(xué)傳感器:利用電化學(xué)反應(yīng)原理,把無(wú)機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器,如離子傳感器、氣體傳感器等化學(xué)傳感器。3.生物傳感器:利用生物活性物質(zhì)的選擇性來(lái)識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器,如酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、?xì)胞傳感器等生物傳感器。
微思考1在門(mén)口前面放置一障礙物,會(huì)發(fā)現(xiàn)門(mén)不停地開(kāi)關(guān),這是由于在門(mén)上裝有什么傳感器?提示:在門(mén)口前面放置一障礙物,門(mén)不停地開(kāi)關(guān),說(shuō)明門(mén)口有一個(gè)光傳感器。
三、傳感器的組成與應(yīng)用模式1.傳感器的組成。(1)傳感器的基本部分一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件組成。(2)敏感元件是指能直接感受或響應(yīng)外界被測(cè)非電學(xué)量的部分;轉(zhuǎn)換元件是指能將敏感元件輸出的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分。它們分別完成檢測(cè)和轉(zhuǎn)換兩個(gè)基本功能。(3)如果敏感元件直接輸出的是電學(xué)量,它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件。例如,熱電偶、壓電晶體等都是這種敏感元件和轉(zhuǎn)換元件二者合一的傳感器。
2.信號(hào)調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路。被測(cè)非電學(xué)量信號(hào)經(jīng)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件作用后,所輸出的電信號(hào)一般都很微弱,難以帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作,因此要通過(guò)信號(hào)調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路把這個(gè)電信號(hào)放大。如果需要遠(yuǎn)距離傳送,還要把它轉(zhuǎn)換成其他電信號(hào)以抵御外界干擾。
3.傳感器應(yīng)用的一般模式。
微思考2當(dāng)你走近某些賓館、酒樓的大門(mén)時(shí),門(mén)會(huì)自動(dòng)為你打開(kāi);當(dāng)你走進(jìn)門(mén)之后,門(mén)又在你身后自動(dòng)關(guān)上。你覺(jué)得這可能是將哪種外界信息轉(zhuǎn)換為有用的信息?提示:自動(dòng)門(mén)的自動(dòng)控制要求靈敏、可靠,若以溫度控制,人的體溫與夏季氣溫接近,則在夏季自動(dòng)門(mén)將無(wú)法使用。自動(dòng)門(mén)實(shí)際使用的是紅外線(xiàn)傳感器,紅外線(xiàn)屬于不可見(jiàn)光,人在白天或黑夜均發(fā)出紅外線(xiàn),傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線(xiàn)后傳給自動(dòng)控制裝置的電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)、關(guān)門(mén)。
重難歸納1.人的感覺(jué)器官與傳感器的類(lèi)比。
2.生活中常見(jiàn)傳感器。
如圖所示的機(jī)器人裝有作為眼睛的“傳感器”,猶如大腦的“控制器”,以及可以行走的“執(zhí)行器”,在它碰到障礙物前會(huì)自動(dòng)避讓并及時(shí)轉(zhuǎn)彎。該機(jī)器人“眼睛”用的是什么傳感器?
提示:該傳感器可以作為機(jī)器人的眼睛,則說(shuō)明它應(yīng)是通過(guò)感光原理來(lái)確定障礙物的,故應(yīng)為光傳感器。
典例剖析【例1】 一臺(tái)電風(fēng)扇,只有白天有人接近時(shí),電風(fēng)扇才轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)這一功能所需要的傳感器為( )A.聲傳感器和溫度傳感器B.光傳感器和紅外線(xiàn)傳感器C.溫度傳感器和觸發(fā)傳感器D.聲傳感器和觸發(fā)傳感器答案:B解析:白天電風(fēng)扇才轉(zhuǎn)動(dòng)和光傳感器有關(guān);有人接近時(shí),電風(fēng)扇才轉(zhuǎn)動(dòng),與人體向外輻射的紅外線(xiàn)有關(guān),是紅外線(xiàn)傳感器,選項(xiàng)B正確。
學(xué)以致用1.交通警察用來(lái)檢測(cè)駕駛員酒精含量的檢測(cè)器使用的傳感器是( )A.溫度傳感器B.壓力傳感器C.濕度傳感器D.氣體傳感器答案:D
二 傳感器的工作原理
重難歸納1.傳感器的核心元件。(1)敏感元件:相當(dāng)于人的感覺(jué)器官,直接感受被測(cè)量,并將其變換成與被測(cè)量成一定關(guān)系的易于測(cè)量的物理量。(2)轉(zhuǎn)換元件:也稱(chēng)為傳感元件,通常不直接感受被測(cè)量,而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出。(3)信號(hào)調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路:將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學(xué)量放大或轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量,如電壓、電流等。
2.傳感器的工作原理。傳感器感受的通常是非電學(xué)量,如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等,而它輸出的通常是電學(xué)量,如電壓、電流、電荷量等,這些輸出信號(hào)是非常微弱的,通常要經(jīng)過(guò)放大后再輸送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作,傳感器的工作原理如下所示:非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→信號(hào)調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量
如圖電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導(dǎo)體層,再在導(dǎo)體層外加上一塊保護(hù)玻璃,電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長(zhǎng)的電極,在導(dǎo)體層內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng),在觸摸屏幕時(shí),由于人體是導(dǎo)體,手指與內(nèi)部導(dǎo)體層間會(huì)形成一個(gè)特殊電容(耦合電容),四邊電極發(fā)出的電流會(huì)流向觸點(diǎn),而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比,位于觸摸屏后的控制器便會(huì)計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱,準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。
由以上信息,思考:(1)電容式觸摸屏的兩個(gè)極板分別是什么? (2)手觸摸屏幕如何改變了電容的大小?(3)該傳感器將什么物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)?
提示:(1)電容式觸摸屏在原理上把人的手指當(dāng)作一個(gè)電容器元件的一個(gè)極板,把導(dǎo)體層當(dāng)作另一極板。(2)手指和屏的接觸面積大小會(huì)影響到電容大小,接觸面積越大,即兩極板的正對(duì)面積越大,電容越大。(3)將手指對(duì)屏的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。
典例剖析【例2】 (2023·陜西榆林高二期末)下列關(guān)于傳感器的說(shuō)法正確的是( )A.金屬熱電阻是一種可以將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的傳感器B.電飯鍋是通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制C.干簧管是一種能夠感知電場(chǎng)的傳感器D.火災(zāi)報(bào)警器能夠在發(fā)生火災(zāi)時(shí)報(bào)警是利用了壓力傳感器答案:A
解析:金屬熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化來(lái)測(cè)量溫度的一種溫度敏感元件,是可以將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的傳感器,選項(xiàng)A正確;電飯鍋是通過(guò)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;干簧管是一種能夠感知磁場(chǎng)的傳感器,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;火災(zāi)報(bào)警器能夠在發(fā)生火災(zāi)時(shí)報(bào)警是利用了光傳感器,在發(fā)生火災(zāi)時(shí)有煙霧擋住了光傳感器接收光源,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
規(guī)律總結(jié)對(duì)傳感器的進(jìn)一步理解。
(1)不同的傳感器的原理不同,但都是通過(guò)敏感元件感受被測(cè)非電學(xué)量的。
(2)傳感器輸出的可能為電流、電壓、電路通斷等,不一定是電壓。
(3)敏感元件只是傳感器的一個(gè)關(guān)鍵部分,并不一定就是一個(gè)完整的傳感器。
學(xué)以致用2.圖甲為一種家用門(mén)磁防盜報(bào)警器,由磁條和主機(jī)組成,門(mén)窗均可使用。乙圖為其簡(jiǎn)化示意圖,安裝時(shí),將磁條固定在門(mén)框上,主機(jī)安裝在與其等高的門(mén)板邊緣,門(mén)關(guān)上時(shí),兩者剛好靠在一起。當(dāng)主機(jī)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),若門(mén)被打開(kāi),磁條與主機(jī)分離,主機(jī)內(nèi)的觸發(fā)器就會(huì)工作,帶動(dòng)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是( )
A.觸發(fā)器內(nèi)是一個(gè)開(kāi)關(guān),當(dāng)主機(jī)與磁條靠近時(shí),開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的B.觸發(fā)器可以由銅制成C.磁條的兩極對(duì)調(diào)后,該報(bào)警器不能正常工作D.本裝置是利用電流的磁效應(yīng)工作的答案:A
解析:門(mén)關(guān)上時(shí),磁條與主機(jī)剛好靠在一起,此時(shí)報(bào)警器不工作,說(shuō)明電路是斷開(kāi)的;當(dāng)主機(jī)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),若門(mén)被打開(kāi),磁條與主機(jī)分離,主機(jī)內(nèi)的觸發(fā)器就會(huì)工作,帶動(dòng)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲,說(shuō)明此時(shí)觸發(fā)器內(nèi)開(kāi)關(guān)是閉合的,選項(xiàng)A正確。觸發(fā)器與磁條之間存在磁力的作用,所以觸發(fā)器不可能是銅制成的,因?yàn)殂~沒(méi)有磁性,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。無(wú)論磁條哪個(gè)磁極靠近觸發(fā)器,都存在磁力作用,所以?xún)蓸O對(duì)調(diào)后,該報(bào)警器仍能正常工作,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。本裝置是利用磁體能夠吸引磁性物體的特點(diǎn)工作的,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
1.傳感器可以進(jìn)行信息采集并把采集到的信息轉(zhuǎn)換為易于控制的量,其工作過(guò)程可能是( )A.將力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)換成磁學(xué)量B.將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成熱學(xué)量C.將光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量D.將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成力學(xué)量答案:C解析:傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為控制電路的通斷的一類(lèi)元件,故只有選項(xiàng)C正確。
2.右圖是電容式話(huà)筒的示意圖,它是利用電容制作的傳感器,話(huà)筒的振動(dòng)膜表面鍍有薄薄的金屬層,膜后相距幾十微米處有一金屬板,金屬板和振動(dòng)膜上的金屬層構(gòu)成電容器的兩極板,在它們之間加一電壓U,人對(duì)著話(huà)筒說(shuō)話(huà)時(shí),振動(dòng)膜前后振動(dòng),使電容發(fā)生變化,導(dǎo)致話(huà)筒所在電路中的其他量發(fā)生變化,聲音信號(hào)被話(huà)筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容器( )A.兩板間的距離變化B.兩板的正對(duì)面積變化C.兩板間的介質(zhì)變化D.兩板間的電壓變化答案:A
解析:人對(duì)著話(huà)筒說(shuō)話(huà)時(shí),振動(dòng)膜前后振動(dòng),使金屬層與金屬板間的距離發(fā)生變化,引起電容變化,使聲音信號(hào)被話(huà)筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào),選項(xiàng)A正確,B、C、D錯(cuò)誤。
3.有一些星級(jí)賓館的洗手間裝有自動(dòng)干手機(jī),洗手后將濕手靠近,機(jī)內(nèi)的傳感器就開(kāi)通電熱器加熱,有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出,將濕手烘干。手靠近干手機(jī)能使傳感器工作,是因?yàn)? )A.改變濕度B.改變溫度C.改變磁場(chǎng)D.改變電容答案:D解析:手靠近干手機(jī)后,使電容式傳感器的電容改變,干手機(jī)內(nèi)的電熱器工作。
4.用遙控器調(diào)換電視機(jī)頻道的過(guò)程,實(shí)際上就是傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程,下列屬于這類(lèi)傳感器的是( )A.紅外報(bào)警裝置B.走廊照明燈的聲控開(kāi)關(guān)C.自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置D.電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器答案:A
解析:紅外報(bào)警器是當(dāng)有人或物通過(guò)時(shí),將紅外線(xiàn)遮住從而使得光信號(hào)被遮住,光電效應(yīng)裝置無(wú)電流通過(guò),紅外報(bào)警器則通過(guò)另外的裝置做出一定的動(dòng)作,是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程,選項(xiàng)A正確。而選項(xiàng)B是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程。選項(xiàng)C是利用壓力來(lái)傳遞信息的過(guò)程。選項(xiàng)D是通過(guò)溫度來(lái)控制的過(guò)程。
5.關(guān)于傳感器,下列說(shuō)法不正確的是( )A.傳感器是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置B.壓力傳感器是將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置C.話(huà)筒中的傳感器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲音信號(hào)D.傳感器廣泛應(yīng)用于信息采集系統(tǒng)答案:C
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