人教版选修32 第六章第2节　传感器的应用 学案.doc

第2节传感器的应用1.了解传感器在日常生活和生产中的应用2.了解传感器应用的一般模式3会分析简单的有关传感器应用的控制电路一、传感器应用的一般模式传感器电路二、力传感器的应用电子秤1组成：电子秤使用的测力装置是力传感器常用的一种力传感器是由金属梁和应变片组成的应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成2原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力f，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小力f越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小传感器把这两个电压的差值输出力f越大，输出的电压差值也就越大3作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量三、温度传感器的应用1电熨斗(1)构造(如图所示)它主要由调温旋钮、升降螺钉、绝缘支架、触点、双金属片、弹性铜片、电热丝、金属底板等几部分组成(2)敏感元件：双金属片(3)工作原理：温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断2电饭锅(1)构造(如图所示)(2)敏感元件：感温铁氧体(3)工作原理居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103_时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”自动断电原理：用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103_时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开四、光传感器的应用火灾报警器烟雾散射式火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的敏感元件为光电三极管 判一判(1)通常的传感器可以直接用来进行自动控制()(2)力传感器中金属梁是敏感元件()(3)感温铁氧体的温度上升到“居里温度”时，就会失去铁磁性()(4)光电三极管在受到光照时呈高电阻状态()提示：(1)(2)(3)(4) 做一做(多选)如图所示是自动调温式电熨斗，下列说法正确的是()a常温时上下触点是接触的b双金属片温度升高时，上金属片形变较大，双金属片将向下弯曲c原来温度控制在80 断开电源，现要求60 断开电源，应使调温旋钮下调一些d由熨烫丝绸衣物状态转变为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些提示：选abd.常温工作时，上下触点是接通的，当温度升高时，上层金属片形变大，向下弯曲，切断电源切断温度要升高，则应使调温旋钮下移一些，选项a、b、d对，c错 想一想图中是一款鼠标及其内部的电路，传感器在实际工作过程中为什么需要放大电路？提示：因为传感器将非电学量转换为电学量的信号往往很弱，所以一般要通过放大电路进行放大传感器问题分析1分析思路物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(1)信息采集；(2)信息加工、放大、传输；(3)利用所获得的信息执行某种操作2分析传感器问题要注意四点(1)感受量分析要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等(2)输出信号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(4)执行机构工作分析传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置其中电源电压保持不变，r是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端当油箱中油量减少时，电压表的示数将如何变化？思路点拨解析由题图可知，当油箱内液面高度变化时，r的金属滑片将会移动，从而引起r两端电压的变化当油量减少时，r的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小答案减小传感器的作用是把非电学量转换为电学量，在转换过程中非电学量的大小往往是不确定的，所以与之相联系的电路就会有动态的变化，在分析动态变化电路时要注意以下三点： (1)明确该传感器所采用的核心部分是什么(2)当检测一非电学量变化时，传感器中与之对应的电阻如何变化(3)在电路中的显示部分与传感器中对应的电阻是串联还是并联，或者是其他的连接方式 酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数u与酒精气体浓度c之间的对应关系正确的是()au越大，表示c越大，c与u成正比bu越大，表示c越大，但是c与u不成正比cu越大，表示c越小，c与u成正比du越大，表示c越小，但是c与u不成反比解析：选b.传感器电阻r的倒数与浓度c成正比关系，即kc，电路中的电流为i，电压表示数uir0，可见电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增加而增加，故b正确传感器的应用实例1力传感器的应用电子秤(1)力传感器的组成：由金属梁和应变片组成(2)作用：将物体的形变这个力学量转换为电压这个电学量，方便测量、处理和控制2温度传感器的应用(1)电熨斗：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)电饭锅：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：常温下具有铁磁性，能被磁体吸引，但是温度上升到约103 时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了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 命题视角1力传感器的应用(多选)如图为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得当人紧握握力器时，如果握力越大，下列判断正确的有()a电路中电阻越大b电路中电阻越小c电路中电流越小d电路中电流越大解析由图看出，握力越大，变阻器接入电路的电阻越小，外电路的总电阻越小，故b正确，a错误；根据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流越大，故d正确，c错误答案bd 命题视角2温度传感器的应用如图所示，甲为在温度为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r120 k、r210 k、r340 k，rt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uab0时，电压鉴别器会令开关s接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压uab0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()a10 b20 c30 d45 思路点拨 由题意可知，uab0是电热丝加热和停止加热的临界状态，根据串联分压知识可求得uab0时rt的阻值，然后由乙图读出对应的温度解析由题意可知uab0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r1、r2、r3给定的条件下，热敏电阻rt的阻值决定了uab的正负设电源负极的电势为零，则au，bu，其中u为电源的路端电压，令ab，即uab0，则可得，代入数据得rt20 k，查图得对应的温度为30 ，c正确答案c 命题视角3光传感器的应用车床在工作时是不允许将手随便接近飞转的工件的，为了防止万一，设计了下面的光电自动控制安全电路，只要人手不小心靠近了工件，机器就自动停转图中的a为车床上的电动机；b为随电动机高速转动的工件；c为光源，它发出的光照在光敏电阻d上；e为电磁铁；f为衔铁；g为电源；h为弹簧请简述其工作原理：当手在c、d间靠近工件时，遮挡住射向光敏电阻的光，光敏电阻的阻值_，电路中的电流_，使电磁铁磁性_从而放开衔铁，造成电动机断路，使工件停转以保证安全思路点拨 (1)射向光敏电阻的光被挡住时，光敏电阻上光照减少，电阻值如何变化？(2)电磁铁线圈中电流大小与电磁铁的磁性大小有何关系？解析当手在c、d间靠近工件时，遮挡住光线，光敏电阻阻值增大，电路中的电流减小，使电磁铁的磁性减弱，从而放开衔铁，使电路自动断开答案增大减小减弱传感器应用问题的分析方法(1)首先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，作出相应的反应，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 【通关练习】1(多选)(2018江苏启东中学月考)下列关于传感器说法中正确的是()a话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号b电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转化为电压信号c电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断d光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量解析：选bcd.话筒是一种常用的声波传感器，其作用是声信号转换为电信号，故a错误；电子秤所使用的测力装置是力传感器，利用通过应变片的电流一定，压力越大，电阻越大，应力片两端的电压差越大，将力信号变成电信号，故b正确；电熨斗是利用双金属片温度传感器，控制电路的通断，故c正确；光敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻随光照强度的增大而减小，故它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，故d正确2(多选)如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103 时，下列说法中正确的是()a常温下感温磁体具有较强的磁性，能自动吸起永磁体，通电加热b当温度超过103 时，感温磁体的磁性较强c饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103 ，这时开关按钮会跳起d常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103 ，开关按钮就不会自动跳起解析：选cd.煮饭时压下开关按钮，感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起，触点相接，电路接通，开始加热，故a错误；饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当温度上升到“居里温度”(约103 )时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁铁与之分离，开关自动断开，且不能自动复位，故b错误，c正确；电饭锅内有水，水沸腾后，锅内的温度保持在100 不变，低于“居里温度”103 ，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103 才能自动断电，因此用电饭锅来烧水、煲汤不能实现自动控温，d正确3如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管led、光电三极管和不透明的挡板平时光电三极管接收不到led发出的光，呈现高电阻状态，发生火灾时，下列说法正确的是()a进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报b光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报c进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报d以上说法均不正确解析：选c.由火灾报警器的工作原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，选项c对随堂检测学生用书p621下列说法错误的是()a传感器担负着信息采集的任务b干簧管是一种磁传感器c传感器不是电视遥控接收器的主要元件d传感器是将力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具解析：选c.由传感器的定义知a、d正确；电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器，故c错误；由干簧管的工作原理知干簧管是一种能够感知磁场的元件，故b正确2(多选)燃气灶的点火开关有两种：一种是电脉冲点火开关，它是依靠干电池产生的电流脉冲经变压器输出非常高的电压，击穿空气后点火；另一种是电子压电点火开关，它的工作原理是压电陶瓷片受一定方向的外力作用而发生机械形变，相应地输出很高的电压，击穿空气后点火下列关于这两种点火开关的说法中，正确的是()a电脉冲点火开关是一种传感器b电子压电点火开关是一种传感器c压电陶瓷片完成的能量转化是电能转化为光能d压电陶瓷片完成的能量转化是机械能转化为电能解析：选bd.传感器是将非电学量转化为电学量的装置，电脉冲点火开关实际上是自感现象的应用，电子压电点火开关是力传感器，把机械形变转化为电压，a错误，b正确；从能量转化角度分析压电陶瓷片是把机械能转化为电能，c错误，d正确3一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物有一种用主要成分为batio3(被称为“ptc”)的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点，ptc材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示，根据图线分析：(1)为什么原处于冷态的ptc熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在t_tt_范围之内(填下标数字)解析：(1)由于冷态时ptc材料电阻较小，故由p知，其发热功率较大，所以升温快(2)从题图上看出，温度较低时，电阻较小，热功率较大，所以生热快于散热，温度升高，电阻值迅速增大，相应生热功率减小，当生热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，生热功率会相应增大，故当生热功率等于散热功率时，温度会稳定在图中t6t7之间答案：(1)见解析(2)674气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号输出，如图所示，b为将可燃气体或有毒气体(co，ch4)浓度转换成电信号的传感器，简称电子鼻根据如图所示的材料，电源电压u220 v、排风扇m、继电器g、电池组a、控制开关s，请设计一个家用自动排烟电路，并在图中完成连线解析：电磁继电器起开关作用，所以电池组a、开关s、电子鼻b和电磁继电器(电磁铁部分)应组成一个电路，另一个是由排风扇和高压电源组成的电路答案：如图所示课时作业 一、单项选择题1下列器件是应用力传感器的是 ()a鼠标器b火灾报警器c测温仪 d电子秤解析：选d.鼠标器中的传感器是光传感器；火灾报警器中的传感器是光传感器；测温仪用的是温度传感器；电子秤的敏感元件是应变片，是力传感器，选项d正确2用遥控器调换电视机频道的过程，实际上是电视机中的传感器把光信号转化为电信号的过程下列属于这类传感器的是()a红外报警装置b走廊照明灯的声控开关c自动洗衣机中的压力传感装置d电饭锅中控制加热和保温的温控器解析：选a.遥控器发出红外线，电视中的传感器感知红外线是红外线传感器，故选a.3下列说法中正确的是()a电饭锅中的敏感元件是光敏电阻b测温仪中测温元件可以是热敏电阻c机械式鼠标中的传感器接收到连续的红外线，输出不连续的电脉冲d火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现低电阻状态，有烟雾时呈现高电阻状态解析：选b.电饭锅中的敏感元件是感温铁氧体，选项a错误；机械式鼠标中的传感器接收断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，选项c错误；火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现高电阻状态，有烟雾时呈现低电阻状态，选项d错误；选项b正确4电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图所示压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压若发现电压表示数增大，下列说法正确的是()a电梯一定加速上升 b电梯一定减速下降c电梯加速度一定向上 d电梯加速度一定向下解析：选c.电压表示数增大说明人对地板的压力变大，对人受力分析知地板对人的支持力大于人所受重力，即人的加速度一定向上，所以电梯可能向上加速，也可能向下减速5.如图所示，r1为定值电阻，r2为负温度系数的热敏电阻，l为小灯泡，当温度降低时()ar1两端电压增大b电流表的示数增大c小灯泡的亮度变强d小灯泡的亮度变弱解析：选c.r2与灯l并联后与r1串联，然后与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻r2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，r1两端电压减小，灯l两端电压增大，灯泡亮度变强，故c正确6(2018辽宁白城月考)如图为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是()a温度升高至74 时，l1灯亮，报警b温度升高至74 时，l2灯亮，报警c温度升高至78 时，l1灯亮，报警d温度升高至78 时，l2灯亮，报警解析：选d.当温度低于78 时，继电器线圈中没有电流，此时灯l1亮，但不报警；当温度升高到78 时，继电器线圈有电流，磁铁吸下衔铁，灯l2被接通，所以灯l2亮且报警，温度升高至74 时，只是灯l1亮，不会报警，故a、b、c选项错误，d选项正确7关于电磁灶的加热原理，下列说法正确的是()电磁灶加热与微波炉加热原理是一样的电磁灶是利用电磁感应原理制成的电磁灶是热量从灶口传递给锅中的食物达到加热的目的电磁灶工作时，灶不会生热a bc d解析：选a.电磁灶里面的线圈中变化的电流，产生变化的磁场，从而形成涡流，根据电流的热效应进行加热，电磁灶工作时，灶不会生热，故错误，正确；微波炉是接通电路后，220 v交流电经变压器变压，在次级产生3.4 v低压交流电对磁控管加热，同时在另一次级产生2 000 v高压电，经镇流系统加到磁控管的阴、阳两极之间，使磁控管产生微波，微波输送至金属制成的加热器(炉腔)，被来回反射，微波的电磁作用使食物内的分子高频运动，从而使食物受热，故错误，正确所以a正确，b、c、d错误二、多项选择题8下列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b当应变片的表面拉伸时，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解析：选bd.应变片多用半导体材料制成，故选项a错误；当应变片拉伸时，其电阻变大，故选项b正确；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故c错误，d正确9.家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是ptc元件，ptc元件是由钛酸钡等导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度t的关系如图所示由于这种特性，ptc元件具有发热、控温双重功能，若电热灭蚊器环境温度低于t1，以下判断正确的是()a通电后，其电功率先增大后减小b通电后，其电功率先减小后增大c当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变d当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1t2间的某一值不变解析：选ad.从图线上可以看出，如果通电前ptc的温度tt1，通电后由于发热的缘故，温度升高致使电阻率减小，发热功率将进一步增大，形成正反馈效应，致使温度大于t1，随着温度的升高，电阻率也增大，功率将减小，形成负反馈效应，发热功率的减小制约了温度的进一步升高从以上分析可知，tt2时，温度会降低故温控点在t1t2，即温度保持在t1t2间的某一值综上分析可知，本题的正确选项是a、d，即温度控制点在图象的两个极值点之间10为锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图所示是原理图轻质弹簧右端和金属滑片p固定在一起(弹簧的电阻不计，p与r1间的摩擦不计)，弹簧劲度系数为100 n/cm.定值电阻r05 ，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值r125 ，电源输出电压恒为u3 v，理想电流表的量程为00.6 a当拉环不受力时，滑片p位于a端下列关于这个电路的说法正确的是(不计电源内阻)()a小明在电路中连入r0的目的是保护电路b当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1 ac当拉力为400 n时，电流表指针指在0.3 a处d当拉力为400 n时，电流表指针指在0.5 a处解析：选abc.若电路无电阻r0且金属滑片p在b端时，回路短路损坏电源，r0的存在使电路不出现短路，因此选项a正确；当拉环不受力时，滑片p在a端，由欧姆定律得，i0.1 a，故选项b正确；拉力为400 n时，由fkx，则x4 cm，对应的电阻为rap20 ，r1接入电路的电阻rpb5 ，由欧姆定律得，i0.3 a，故选项d错误，c正确三、非选择题11如图所示，图甲为热敏电阻的rt图象，图乙为用此热敏电阻r和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器的电阻为100 .当线圈的电流大于或等于20 ma时，继电器的衔铁被吸合为继电器线圈供电的电池的电动势e9.0 v，内阻可以不计图中的“电源”是恒温箱加热器的电源则：(1)应该把恒温箱内的加热器接在_(选填“a、b端”或“c、d端”)(2)如果要使恒温