鲁科版选修32 第5章 第2节　常见传感器的工作原理 第3节　大显身手的传感器 学案.doc

第2节常见传感器的工作原理第3节大显身手的传感器学 习 目 标知 识 脉 络1.认识光敏电阻和热敏电阻这两种敏感元件，知道其特性(重点)2.理解光电传感器和温度传感器的工作原理(难点)3.了解生活中传感器的简单应用及给人类生产、生活带来的便利.4.了解传感器的设计思路.自 主 预 习探 新 知知识梳理一、常见传感器的工作原理1光传感器和温度传感器光传感器温度传感器定义一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置一种将温度变化转换成电学量变化的装置作用将光信号转换成电信号将温度变化转换成电学量变化常见敏感元件光敏电阻、光敏晶体管、光电池等热敏电阻、热电偶等构造光敏电阻由金属硫化物等半导体材料制成热敏电阻由半导体材料制成特性照射光强，则电阻小，照射光弱，则电阻大，其倍数可达1001 000倍灵敏度极高，响应非常快ntc热敏电阻(负温度系数)其阻值随温度升高而减小，ptc热敏电阻(正温度系数)其阻值随温度升高而增大2.干簧管继电器(1)干簧管的工作原理干簧管可以感受外界磁场，当干簧管的两个铁质簧片处有磁场时，两簧片被磁化，在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态，磁场减弱时两簧片分开(2)干簧管继电器构造：由干簧管和绕在管外的线圈组成作用：在电路中，可以根据流经线圈的电流大小控制电路的通断如图521所示电路符号图5213电容式传感器电容式传感器以各种类型的电容器为传感元件，它将被测量的非电学量的变化，转化成电容量的变化根据改变电容的方式不同，电容式传感器可分为变间隙式、变极板面积式和变介电常数式三种二、大显身手的传感器1洗衣机的水位控制装置全自动洗衣机的水位控制装置中使用压力传感器，当筒内水位到达设定高度时，凸起的膜片使动触点接触控制电路的静触点，使控制电路接通，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源2自动门(1)控制自动门开关的是一种红外线传感器(2)自动门工作流程 3指纹识别器指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的手指皮肤与电容传感器表面构成了电容阵列，由于指纹的凹凸导致不同位置的电容差异4传感器与机器人(1)机器人传感器的分类机器人传感器分为外部传感器和内部传感器(2)传感器用途外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉，从而使机械人具有拟人化的特点内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态基础自测思考判断1热敏电阻是用金属铂制成的，它对温度的感知很灵敏()2半导体制成的热敏元件温度升高时电阻大幅度变化()3光照越强，光敏电阻的阻值越小()4洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器()5自动门利用了红外线传感器()6指纹识别器是利用压力传感器()合作探究1光敏传感器的敏感元件一定是光敏电阻吗？【提示】不一定，凡是在光照条件下电学特性随之改变的都可用作光敏传感器的敏感元件2压力传感器在洗衣机中实现了怎样的信号转化？其作用是什么？【提示】传感器的膜盒中的膜片受力大小不同，膜片凸起情况不同，当压力达到一定程度时凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路压力传感器将压力这个力学信号转化成电路的通断，相当于电路中的开关合 作 探 究攻 重 难常见传感器的工作原理1.光敏电阻的特性当光敏电阻受到光照射时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性明显地增强，电阻减小2热敏电阻的两种类型热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变化，常见的有两种类型，图522中甲为ptc型，乙为ntc型ptc型为正温度系数热敏电阻，ntc型为负温度系数热敏电阻图5223热敏电阻的应用(1)电熨斗电熨斗的构造：如图523所示图523电熨斗的自动控温原理其内部装有双金属片温度传感器，其作用是控制电路的通断常温下，上、下触点是接触的，当温度过高时，由于双金属片的热膨胀系数不同，上部金属膨胀系数大，下部金属膨胀系数小，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，重新接通加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用(2)电冰箱电冰箱中的自动控制系统要获取的信息都要通过传感器转化为容易传输和处理的电信号电子温控的核心之一是冷藏室传感器和冷冻室传感器它们是一种负温度系数的热敏电阻当温度升高时，其阻值减小；当温度降低时，其阻值增加(多选)如图524所示，r1、r2为定值电阻，l为小灯泡，r3为光敏电阻，当照射光强度增大时()图524a电压表的示数增大br2中电流减小c小灯泡的功率增大d电路的路端电压降低思路点拨：解答本题的关键为：掌握光敏电阻的阻值随光照变化的情况；应用闭合电路或部分电路欧姆定律进行动态分析abcd当照射光强度增大时，r3减小，整个电路中的总电阻变小，总电流变大，电压表示数增大，而路端电压减小，r2上的电压变小，通过r2的电流减小，流过小灯泡的电流增大，小灯泡的功率增大，故选项a、b、c、d正确光电传感器电路的分析方法对含光电传感器的电路一般按以下思路分析：(1)判断电路的整体连接特点(2)由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表示数的变化和各部分功率的变化针对训练1(多选)如图525所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中a是发光仪器，b是光敏电阻，r是普通定值电阻，下列说法中正确的是()图525a当传送带上没有物品挡住由a射向b的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小b当传送带上没有物品挡住由a射向b的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大c当传送带上有物品挡住由a射向b的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小d当传送带上有物品挡住由a射向b的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大adb是光敏电阻，其阻值随光照强度的增大而减小当没有物品挡住光时，光射向b，b的阻值减小，其电流变大，由ueir知电压表读数变小，a正确，b错误有物品时，光被挡住，b的阻值增大，电流减小，电压表读数变大，c错误，d正确2温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的，如图526甲所示，电源的电动势e9 v，内阻不计，g为灵敏电流表，内阻rg保持不变；r为热敏电阻，其电阻阻值与温度的关系如图526乙所示闭合s，当r的温度等于20 时，电流表示数i12 ma；当电流表的示数i23.6 ma时，热敏电阻的温度是多少？图526【解析】由乙图知，t20 时，r4 k根据闭合电路欧姆定律i得2103求得rg500 又因i2即3.6103故r2 k.由乙图知t120 .【答案】120 大显身手的传感器1.洗衣机水位控制装置压力传感器工作原理图及结构图527(1)结构1是洗衣机的外筒，2是洗衣机的内筒，3是气室，4是传感器的膜盒(2)工作原理如图527(a)所示，气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通当向桶内注水后，有一部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜盒中的膜片受力向上凸起，如图527(b)所示，当筒中水位达到设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，洗衣机开始工作2自动门红外线传感器(1)工作原理当有人接近自动门时，人体发出的红外线被传感器接收到，就会产生电压输出信号，信号经过电路处理后，使定时器工作，由定时器构成的电路使继电器通电，自动门电动机转动，门自动打开；当人通过自动门几秒后，定时器又使继电器断电，自动门电动机反转，门自动关闭(2)工作流程图(图528)图5283指纹识别器电容传感器工作原理：指纹识别器是通过电容器来识别指纹的传感器表面集合了很多个电容器的极板，其外面是绝缘表面，当用户的手指放在绝缘表面上时，手指的皮肤就成了电容器的另一个极板，由于指纹的脊和谷相对于另一个极板的距离不同，使电容阵列不同位置的电容器的电容值也不同通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息这样就把指纹的信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较，就可以实现对指纹的识别4机器人与传感器(1)机器人定义：是一种拟人化的电子机械装置，具有一定的运动、感觉和判断功能组成：机械系统、传感器系统、信息处理和控制系统(2)传感器系统作用：机器人的感觉器官分类：外部传感器和内部传感器有一种测量压力的电子秤，其原理图如图529所示e是内阻不计、电动势为6 v的电源，r0是一个阻值为300 的限流电阻，g是由理想电流表改装成的指针式测力显示器r是一个压力传感器，其阻值可随压力大小的变化而改变，其关系如下表所示c是一个用来保护显示器的电容器秤台的重力忽略不计图529压力f/n050100150200250300电阻r/300280260240220200180(1)利用表中的数据写出电阻r随压力f变化的函数式(2)若电容器的耐压值为5 v，该电子秤的最大称量值为多少？(3)如果把电流表中电流的刻度变换成压力刻度，则该测力显示器的刻度是否均匀？思路点拨：分析本题的关键是根据表格中的数据得出电阻r随压力f变化的函数表达式，第三问刻度变换是否均匀要运用闭合电路的欧姆定律来分析【解析】(1)由表中数据可知k0.4 /n所以电阻r随压力f变化的函数表达式为r(3000.4f) .(2)r上受到的压力越大，r的阻值越小，电容器两端电压越大，但不能超过5 v，所以，解得r的最小值为rmin60 ，又因为rmin(3000.4fmax) ，得出最大称量值fmax600 n.(3)电流表中的电流i，电流i与压力f不是线性关系，则该测力显示器的刻度不均匀【答案】(1)r(3000.4f) (2)600 n(3)不均匀处理含压力传感器电路的思路首先，审清题意，明确题干中力、电的转换方式；其次，理清电路结构，灵活利用闭合电路的欧姆定律列式；最后，充分利用数学知识分析物理问题针对训练3(多选)关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是()a应变片是由导体材料制成的b当应变片的表面被拉伸时，其电阻变大，反之变小c传感器输出的是应变片上的电压d外力越大，输出的电压差值也越大bd应变片一般是用半导体材料制成的，其表面被拉伸时电阻变大，被压缩时电阻变小，故选项a错误，b正确；电子秤中应变式力传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也越大，故选项c错误，d正确4如图5210所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为e，内阻不计，不称物体时，滑动触头p在a端，滑动变阻器接入电路中的有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下滑动触头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量，若滑动变阻器上a、b间长度为l，最大阻值为r0，定值电阻的阻值也为r0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k，则所称重物重力g与电路中电流i的函数关系为()图5210ag2klbg2klcgkl dgkilb设所称重物重力为g时弹簧的压缩量为x，由题意得gkx此时，滑动触头p距b端距离为lx，滑动变阻器有效电阻为r0r0，由欧姆定律有i联立解得g2kl.当 堂 达 标固 双 基1电子秤使用的传感器是()【导学号：11452114】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2(多选)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘信息时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息光敏电阻自动计数器的示意图如图5211所示，其中r1为光敏电阻，r2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是()图5211a当有光照射r1时，处理系统获得高电压b当有光照射r1时，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计数一次d信号处理系统每获得一次高电压就计数一次ac当光照射到光敏电阻r1上时，r1的电阻减小，电路中的电流增大，r2两端电压升高，信号处理系统得到高电压；当光被物品遮挡时，r1的电阻变大，而r2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器就计数一次，这样高低交替变换的信号经过信号处理系统的处理，达到自动计数的目的，由以上分析可知，选项a、c正确3传感器是把非电学物理量(如位移、压力、流量、声强等)转换成电学量的一种元件如图5212所示为一种电容传感器，电路可将声音信号转化为电信号电路中a、b构成一个电容器，b是固定不动的金属板，a是能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜若声源s发出频率恒定的声波使a振动，则a在振动过程中()图5212aa、b板之间的电场强度不变ba、b板所带的电荷量不变c电路中始终有方向不变的电流d向右位移最大时，电容器的电容最大da、b始终跟电源相连，电势差u不变，由于a、b间距离变化，由e知场强变化，a错误由c知d变化时c变化，a向右位移最大时，电容最大，d正确由qcu知a、b所带电荷量变化，电路中电流方向改变，b、c错误4如图5213所示的电路中，路端电压恒定，l为小灯泡，r为光敏电阻，led为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且r