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编辑于2024-12-12 22:06:44
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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