高中物理第3章传感器第3节传感器的应用学案粤教版选修3_2

第三节传感器的应用[学习目标] 1.列举传感器在日常生活中的应用.2.列举传感器在农业生产和工业生产中的应用.3.了解传感器在航空航天事业中的应用.4.理解常用传感器的工作原理，会分析常见传感器问题．(重点、难点)一、生活中的传感器1．温度传感器的应用电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等与温度相关的家用电器．2．红外线控制器的应用自动门、家电遥控器、生命探测仪、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等．3．光敏传感器的应用：照相机中．4．压力传感器的应用：电子秤中．二、传感器在工、农业生产和航天中的应用1．农业生产中的传感器无人管理的自动灌溉系统利用了湿度传感器；自动化温室种植中，温室的自动控温就是在温度传感器的帮助下实现的；现代粮库采用了温度传感器和湿度传感器．2．工业生产中的传感器安全生产中，如将一种埋入式光纤传感器安置在大桥或水坝中，随时可以监控大桥和水坝的裂痕等安全隐患；在自动控制系统中，如数控机床中的位移测量装置就是利用高精度位移传感器(如光栅传感器)对位移测量，从而实现精密加工．3．飞向太空的传感器飞机保持一定飞行高度，当飞机高度变化时，大气数据计算机自动发出与给定高度的差值信号，并通过自动驾驶仪操纵升降舵，使飞机恢复给定高度；在运载火箭、载人飞船中，应用了传感器供遥测和遥控系统使用；对宇航员的各种生理状态的测量有生理传感器，如测量血压、心电图、体温等．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器．(√)(2)自动门利用了红外线传感器．(√)(3)指纹识别器是利用压力传感器．(×)(4)无人管理的自动灌溉系统，用到了温度传感器．(×)(5)位移测量装置用到了位移传感器．(√)2．电子秤使用的传感器是( )A．超声波传感器B．温度传感器C．压力传感器D．红外线传感器C[电子秤通过感知物体对它的压力，将其转换为电信号，并由仪表显示，来测量物体质量，所以它感知的是压力，使用了压力传感器，故C选项正确．]3．类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯．下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是( )A．是力传感器B．是光传感器C．是温度传感器D．是声音传感器B[遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B对，A、C、D错．]传感器的应用及工作原理分析1.常见压力传感器的敏感元件是金属应变片和半导体力敏电阻．2．半导体力敏电阻的阻值随压力的增大而减小，常将力敏电阻与电流计串联起来，压力变化，力敏电阻变化，电流变化，把力学量转换成电学量．3．分析传感器问题要注意的几个问题(1)检测量分析：要明确传感器所检测的量，如力、热、光、磁、声等．(2)敏感元件分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．(3)电路结构分析：认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．【例1】加速度计是测定物体加速度的仪器．在现代科技中，它已成为导弹、飞机、潜艇或宇宙飞船等制导系统的信息源．如图所示为应变式加速度计的示意图．当系统加速时，加速计中的敏感元件也处于加速状态．敏感元件由两弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件的下端可在滑动变阻器R上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移并转换为电信号输出．已知敏感元件的质量为m，两侧弹簧的劲度系数均为k，电源电动势为E，电源内阻不计，滑动变阻器的总电阻值为R，有效长度为l，静态时输出电压为U0，试推导加速度a与输出电压U 的关系式．[解析] 设静态时滑动变阻器的滑片距左端为x ，则敏感元件的输出电压为U 0＝E R ·R lx ＝E lx ① 再设系统向左加速时滑片右移Δx ，则敏感元件的动力学方程为2k Δx ＝ma ②此时敏感元件的输出电压为U ＝E R ·R l (x ＋Δx )＝E l(x ＋Δx )③联立①②③三式可得a ＝2kl U －U 0mE若U >U 0，系统的加速度方向水平向左；若U <U 0，系统的加速度方向水平向右．[答案] a ＝2kl U －U 0mE传感器应用的分析方法(1)要分清哪是主电路部分，哪是控制电路部分．(2)联系主电路和控制电路的关键点就是传感器中的敏感元件．敏感元件感知主电路所处的状态，做出相应的反应，促使控制电路工作，保证主电路能工作在相应的设定状态之下．训练角度1 传感器的电路原理1．传感器在日常生活中的应用越来越广泛，温度传感器(实质是自动开关)是其中的一种．某一食品消毒柜就是利用温度传感器来自动控制电路的．常温下，该温度传感器是闭合的；当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，从而切断整个电路．下列关于该消毒柜的几种电路图中(图中S 为电源开关)，连接正确的是( )A BC DA [选项B 、C 、D 的电路中，温度升高到某一设定值时，传感器会断开，但整个电路不会断开．选项A 的电路中，电源开关S 闭合后，消毒柜开始工作，当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，整个电路也断开，所以选项A 正确．]训练角度2 传感器的电路设计2．现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过I C时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干．在室温下对系统进行调节．已知U约为18 V，I C约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA 时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线．(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)．(3)按照下列步骤调节此报警系统：①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_____________________________________________________________________________________________________________________.②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至________．(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用．[解析](1)电路图连接如图．(2)报警器开始报警时，对整个回路有U＝I c(R滑＋R热)代入数据可得R滑＝1 150.0 Ω，因此滑动变阻器应选择R2.(3)①在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为650.0 Ω.滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于b端附近，若置于另一端a时，闭合开关，则电路中的电流I＝18650.0A≈27.7 mA，超过报警器最大电流20 mA，报警器可能损坏．②开关应先向c端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止．[答案](1)连线如解析图所示．(2)R2(3)①650.0b接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏②c报警器开始报警,传感器的应用实例1.力传感器的应用——电子秤(1)构成：电子秤的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器由一个金属梁和两个应变片组成．如图所示．(2)工作原理：在金属梁没有受力的情况下，金属梁处于水平状态，梁的上下应变片的长度没变且相等，两应变片的电阻大小也相等，当给金属梁施加竖直向下的力时，金属梁会向下弯曲，使得金属梁上面的应变片被拉长，电阻变大，两端电压也变大，而下边的应变片被挤压收缩，电阻变小，两端的电压也减小，使得两应变片的两端电压值不相等，存在差值，控制电路就通过这个差值，经过放大电路将差值信号放大，再在显示器上显示出数字，即力F 的大小．(3)应用：力传感器常用于测量汽车载重，以及商店超市的电子秤．(如图所示)2．温度传感器的应用(1)电熨斗①温度传感器：由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把温度信号转换为电信号进行自动控制．②电熨斗的自动控温原理：其内部装有双金属片温度传感器，如图所示：常温下，上下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源停止加热，温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．(2)电饭锅①结构：如图所示，它的主要元件感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的．它的特点是：常温下具有磁性，能被磁体吸引，但是温度上升到约103 ℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了．②工作原理：电饭锅工作时，按下开关按钮，感温磁体与永磁体接触，两个接线螺钉通过触点相连，电路接通，开始工作，电饭锅内温度升高，当达到103 ℃时，感温磁体与永磁体分离，带动触点分离，电路断开，不再加热，电饭锅停止工作．3．光传感器的应用——火灾报警器如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是：带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．【例2】 如图甲所示为在温度为10 ℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R 1＝20 k Ω、R 2＝10 k Ω、R 3＝40 k Ω，R T 为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，a 、b 端电压U ab ≤0时，电压鉴别器会令开关S 接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a 、b 端电压U ab >0时，电压鉴别器会令开关S 断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在( )甲 乙A ．10 ℃B ．20 ℃C ．30 ℃D ．45 ℃C [由题可知U ab ＝0是一个电压的临界点，对应着开关S 的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降．由电路图可知，在R 1、R 2、R 3给定的条件下，热敏电阻R T 的阻值决定了U ab 的正负．设电源负极的电势为零，则φa ＝R 2R 1＋R 2U ，φb ＝R T R 3＋R TU ，其中U 为电源的路端电压，令φa ＝φb ，即U ab ＝0，则可得R 2R 1＝R T R 3，代入数据得R T ＝20 k Ω，查表得对应的温度为30 ℃，C 正确．]本题利用热敏电阻为传感器，将温度变化的信号转化为电信号，结合电子线路来控制加热电路．正确的电路分析、计算及看懂热敏电阻的电阻值随温度变化的曲线，是解决本类习题的关键．训练角度1 温度传感器的应用3．电熨斗已经走进千家万户，特别是服装店更离不开它，现在的电熨斗具有自动控制温度功能，可以通过双金属片来控制电路的通断．如图所示为电熨斗的结构示意图，关于电熨斗的控制电路，下列说法正确的是 ( )A ．常温下，电熨斗的上下触点应该是分离的B ．图中双金属片上层金属片的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数C ．熨烫棉麻衣物时，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升D ．熨烫丝绸衣物时，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升BD [常温下，上下触点接触，温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分开，起到调温作用，A 错误；当温度升高时，双金属片向膨胀系数小的金属片所在处发生弯曲，触点断开，故双金属片上层金属片的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数，B 正确；熨烫棉麻衣物时，需要较高温度，要调节调温旋钮，使升降螺钉下移，C 错误；熨烫丝绸衣物时，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升，D 正确．]训练角度2 力传感器的应用4．(多选)如图是某电子秤的原理图，人只要站在踏板上，仪表G 就能显示人的体重，踏板下面的传感器R 实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻，显示体重的仪表G 实质是理想电流表，如果不计踏板的质量，电阻R 随人的体重G 变化的函数关系式为R ＝a －kG (a 、k 是常量，G 和R 的单位分别是N 和Ω)，下列说法正确的是 ( )A ．传感器R 是一个力电传感器B ．闭合电路测量时，电路中的电流随人的体重均匀变化C ．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G 刻度盘的零刻度处D ．如果要扩大电子秤的量程，滑动变阻器R ′接入电路中的电阻应调大AD [根据闭合电路欧姆定律列式得到电流的表达式和量程的表达式进行讨论即可．R 是将压力信号换成电信号的传感器，即力电传感器，故A 正确；闭合电路测量时，电路中的电流为：I ＝Ea －kG ＋r ＋R ′，显然与人的体重不成线性关系，故B 错误；当重力为零时，电流最小，但不为零，故C 错误；由I g ＝E a －kG m ＋r ＋R ′可知，kG m ＝a ＋r ＋R ′－EI g ，因此变阻器接入电路中的电阻调大，可以测量的人的最大体重增大，故D 正确．]训练角度3 光传感器的应用5．电源、开关S 和S′、定值电阻R 1、光敏电阻R 2和电容器连接成如图所示电路，电容器的两平行板水平放置．当开关S 、S′闭合，并且无光照射光敏电阻R 2时，一带电液滴恰好静止在电容器两板间的M 点．当用强光照射光敏电阻R 2时，光敏电阻的阻值变小，则 ( )A ．液滴向下运动B ．液滴仍然静止C ．R 2两端的电势差是否升高无法分析D ．当光照强度不变时断开S′，把电容器的上极板向上移动一小段距离，则上极板的电势比A 点的电势高D [当用强光照射光敏电阻R 2时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流增大，R 1两端间的电压增大，电容器的电压增大，板间场强增大，液滴所受的电场力增大，液滴向上运动，故A 、B 错误；当用强光照射光敏电阻R 2时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流增大，R 2两端间的电压：U R 2＝E －I (R 1＋r )一定减小，故C 错误；当光照强度不变时断开S′，电容器的带电量不变，电势差为U R 1＝QC ＝Q εS4πkd ＝4πkdQ εS，把电容器的上极板向上移动一小段距离，d 变大，故电势差U R 1变大，由于下极板电势为零，故上极板的电势比A 点的电势高，故D 正确．]1．有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是( )A．两个传感器都是光电传感器B．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器C．两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作B[题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个满足条件即可，A、C、D错，B对．]2．洗衣机中的水位控制装置使用的是( )A．光传感器B．压力传感器C．湿度传感器D．温度传感器B[当洗衣机内水位升高时，传感器的膜片受到的压力变大，当达到设定值时，关闭进水电磁阀门．]3.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显示电容值增大时，则导电液的深度h变化为( )A．h增大B．h减小C．h不变D．无法确定A[由题意知，导线芯和导电液构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极．当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化，会引起电容的变化．与平行板电容器类比可得，导电液体深度h增大时，导线芯和导电液正对面积增大，电容器的电容值变大．]4.某仪器内部电路如图所示，其中M是一个质量较大的金属块，左、右两端分别与金属丝制作的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属片的间隙很小(b固定在金属块上)．当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态．若将该仪器固定在一辆汽车上，则下列说法正确的是( )A．当汽车加速前进时，甲灯亮B．当汽车加速前进时，乙灯亮C．当汽车刹车时，乙灯亮D．当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮B[向右加速时，M向左移动，b与a接触，乙灯亮；当刹车时，M向右移动，b与c接触，甲灯亮．故选项B正确．]。