普通高中物理选择性必修二 第五章第1节 认识传感器

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• 普通高中物理选择性必修二 第五章第1节 认识传感器
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第二册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用。——李政道
• 神奇的传感器
• 演示
  • 实验现象
    • 小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关。如果把磁体B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移动，灯泡熄灭。
  • 实验原理
    • 干簧管
      • 结构：玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片。
      • 原理：当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
      • 作用：干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场。
      • 干簧管是一种能够感应磁场的传感器。
• 传感器 应用
  • 声控—光控
    • 现象：晚上，当进入黑洞洞的楼道时，一跺脚，楼道灯自动开启，但是这种情况在白天却不会发生。
    • 说明：“声控—光控”开关，会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，开关才会接通。
  • 红外线传感器
    • 现象：一些宾馆安装了自动门，当人走近时，门会自动打开；当人离开时，门会自动关闭。
    • 说明：自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出使自动门开关启动的命令。
  • 便携式酒精 检测仪
    • 现象：交通警察检查司机是否酒后开车时，会让司机对着“便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度。
    • 说明：“便携式酒精检测仪”上装有“乙醇传感器”，能感知乙醇的浓度。
• 传感器是这样一类器件或装置：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。
  • 传感器的功能与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能相似。
  • 如果用机器完成某些动作，计算机相当于人的大脑，执行机构相当于人的的肌体，传感器相当于人的“五官”。
  • 传感器不仅可应用于高温、高压、辐射等恶劣环境，还可检测出人类五官不能感应的各种信息，如微弱的磁、电、离子和射线的信息等。
  • 利用传感器的这些本领，可以制成形形色色的机器人，承担人类难以直接完成的任务。
  • 传感器通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
• 传感器的种类
• 传感器 种类
  • 物理传感器
    • 原理：利用物质的物理特性或物理效应制作而成。
    • 例如：力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。
  • 化学传感器
    • 原理：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号。
    • 例如：离子传感器、气体传感器等。
  • 生物传感器
    • 原理：利用生物少发物质的选择性业识别和测定生物化学物质
    • 例如：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器。
• 在林林总总的传感器世界中，大多数传感器是以物理原理为基础制作的。
  • 一部普通的智能手机中就安装有十几种传感器，能感受声音、图像、压力、磁场、加速度等各种信息。
  • 根据被测量的不同，可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器。
  • 根据具体工作原理的不同，可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。
• 传感器的组成与应用模式
• 传感器 组成与应用
  • 基本部分
    • 敏感元件
      • 能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
    • 转换元件
      • 能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
    • 它们分别完成检测和转换的两个基本功能。
    • 敏感元件和转换元件二者合一的传感器
      • 若敏感元件直接输出电学量，则其同时兼为转换元件。
      • 热电偶、压电晶体等都是这种形式的传感器。
  • 信号调整与转换电路
    • 放大作用
      • 传感器基本部分所输出的电信号一般很微弱，难以带动执行机构实现控制动作，因此要放大这个电信号。
    • 转换成其他电信号
      • 如果需要远距离传送，还要把基本部分输出的电信号转换成其他电信号以抵御外界干扰。
  • 信号应用
    • 显示器：用指针式电表或数字屏显示测量的数据。
    • 执行机构：用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门、开通或关闭电动机等动作。
    • 计算机系统：由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。
• 思考与讨论电容式话筒
  • 话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。
  • 组成结构 电容器的两个极板
    • 话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层
    • 振动膜片后想距几十微米有一个金属片（固定电极）
    • 电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作
  • 工作原理
    • 敏感元件：振动膜片
      • 声波使振动膜片发生振动，振动膜片感受声音信号的变化。
    • 转换元件：电容器
      • 将声音信号的强弱转换成电容器的电容变化。
    • 转换电路
      • 电容器接入含有电阻、电源的转换电路中，由于电容器的电容不断变化，电容器产生充、放电电流，加载在电阻R两端的电压也随之变化。
      • 信号经过转换电路就被输出为便于测量和处理的电压信号，用于显示、记录等。
• 科学漫步 机器人
  • 1920年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小说中构思了一个机器人，名叫Robot。它可以不吃饭，却能不知疲倦地工作，展现了人类持续多年的一种愿望。
  • 1947年，世界上第一个机器人在美国诞生。这是一台为反应堆搬运核燃料的简单机器，代替人从事危险的工作。
  • 根据机器人的 结构和功能划分
    • 第一代
      • 例如：汽车生产线上用于点焊的机器人。
        • 对外界没有感觉，只能按照编好的程序，由内部的计算机安排它的动作。
    • 第二代
      • 例如：利用光传感器让机器人沿着地面画出的白色轨迹运动。
      • 例如：利用图像传感器让机器人产生视觉来识别烧杯和铁块，当它的手拿着烧杯时，力传感器产生触觉会使它的手指感知压力和滑动，从而既能拿住又不会捏碎。
      • 有了感觉，它身上安装的传感器起到人的感官的作用。
    • 第三代
      • 人们梦寐以求，努力发展的智能机器人。
        • 以人工智能理论和现代信息技术为基础，能够自主地从经验中学习，不断完善自身的程序，增强自己的功能。
  • 机器人分类
    • 工业机器人
      • 能把人从繁重的体力劳动和危险的环境中解放出来，极大地提高生产率。
    • 服务型机器人
      • 主要用于清洁、加油、导盲、抢险等方面。
      • 它们通常具有一个移动平台，其上有操作臂，还安装了触觉、视觉、听觉及超声测距等传感器，能够识别周边的环境，判断自己的运动。
    • 医疗机器人
      • 能够帮助医生做复杂的手术，减轻医生的疲劳，保证手术的精确和成功。
    • 空间机器人
      • 用于探测太空，是最复杂、最昂贵的机器人。
      • 我国探月工程中使用的玉兔号巡视器就是一个典型代表。
• 科技本身没有好坏之分，是人类决定了如何去使用它。面对科技进步，人类应该衡量和思考，该如何运用这些技术才会对社会更有益，使世界变得更加美好。
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