1、1 新情境激趣引航微型传感器微型传感器是由亚微米至亚毫米范围内的电子元件和机械元件制成的，将传感、处理、执行诸功能融为一体的微机电系统微型传感器尺寸小，集成化程度高，功能强大它使人类获取信息并进行相应控制的工作可深入到微米量级的空间中进行如今，智能传感器和微型传感器已广泛用于生活、生产、军事、科研等各个领域例如：人体消化道智能诊查系统：它包括一粒微型探测胶囊和便携式体外接收存储装置、体外超声控测定位装置、体外数据处理系统患者服用一粒微型探测胶囊，该胶囊从上到下经过整个消化道时，就会将各段消化道的压力、温度、pH 值等参数记录下来并传输给体外接收与处理系统这种检查不会给患者造成创伤“蚂蚁”探测器
2、：每只“蚂蚁”探测器的大小与大胡桃相当，质量仅 29 g，通常带有 4 个光传感器、4 个红外接收器，以及防撞传感器、防倾斜传感器和探测“食物”存在的传感器它可用于搜索炸弹“苍蝇”导弹：它的体形如同苍蝇般大小，能不停地飞行几个小时，速度高达 20 km/h.它能垂直升降，急速调头，悬停于空中，“隐身”潜伏，收发微波信息当将超微型窃听、窃看装置粘在“苍蝇”导弹背上后，就可进行侦察传感器的使用，特别是智能传感器和微型传感器的开发、利用，使人类收集信息的能力得到极大的扩展和延伸，获取信息的手段更方便、更快捷，涉及领域更广阔、更深入.2 新知识预习探索学习目标1.了解传感器在日常生活和生产中的应用2.
3、了解传感器应用的一般模式3.会设计简单的有关传感器应用的控制电路，提高分析解决问题的能力新知预习1.应变式力传感器的应用电子秤(1)应变式力传感器的构造：它是由金属梁和应变片组成，应变片是一种敏感元件，多用半导体材料制成(2)应变式力传感器的工作原理如下图所示：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，下表面的电阻变小F 越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越大(3
4、)应变力传感器的作用：它能够把物体形变这个力学量转换成电压这个电学量2温度传感器的应用电熨斗(1)电熨斗的构造(如下图所示)：它主要由调温旋钮、升降螺丝、绝缘支架、弹性铜片、触点、双金属片、电热丝、金属底板等几部分组成(2)双金属片温度传感器的作用是控制电路通断，双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属(3)电熨斗的工作原理：常温下上下触点是分离的，设定温度时，通过调节调温旋钮，使弹性铜片下降，与弹性铜片相连接的上触点与下触点接通，这样电路接通，电热丝发热产生热量，温度升高，可以熨烫衣物这时双金属片也由于受热而膨胀，但因双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属，使双金属片向下弯曲，上下触点脱离，电
5、路断开由于电路断开，电势丝不再发热，温度降低，双金属片恢复初态，电路又接通加热不难看出，双金属片温度传感器的作用就是控制电路的通断3温度传感器的应用电饭锅电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它具有这样的性质：常温下具有磁性，能被磁体吸引，当温度上升到约 103时，就失去磁性，不能被磁体吸引，因此 103这个临界温度直接决定了开关的动作如下图所示为电饭锅的结构图其工作过程如下：(1)开始煮饭时压下开关按钮，由于常温下感温铁氧体具有磁性，永磁体将吸引感温铁氧体，因此手松开后这个按钮不会恢复到图示位置，这时电饭锅处于接通状态(2)煮饭时水煮沸腾时，水的温度保持沸点不变(3)当饭熟后，水分被大米
6、吸收，锅底的温度上升，当温度超过103时，感温铁氧体失去铁磁性，由于弹簧的作用，按钮开关将恢复到如图所示的位置，切断加热用电源4光传感器的应用火灾报警器烟雾式火灾报警器的实物如下，烟雾做上升运动，到达天花板底下，烟感报警器通过烟发现火灾，所以烟雾式火灾报警器安装在天花板上有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔的罩子内装有发光二极管、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，就会发出警报问题探索想一想如果用电饭锅烧水，是否能够实现自动控温？提示
7、如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持 100不变，温度低于“居里点”103，电饭锅不能自动断电只有水烧干后，温度升到 103才能自动断电，因此，用电饭锅烧水不能实现自动控温.3 新课堂互动探究知识点一 力传感器的应用重点聚焦1力电传感器力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转化为电学信号(电压、电流等)的仪器力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及 ABS 防抱死制动系统等说明：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用2电子秤的工作原理(1)电子秤的测力装置是力传感器，它是由
8、一个金属梁和两个应变片一起组成了测力部分(2)在没有力的情况下，金属梁处于水平状态，梁的上下应变片的长度不变且相等，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)应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量典例精析 如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线的加速度该装置在矩形箱子的前、后壁上各安装一个力敏电
9、阻组成的压力传感器 两根相同的轻弹簧夹着一个质量为 2.0 kg 的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器 a、b 上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出现将该装置沿运动方向固定在汽车上，传感器 b 在前，传感器 a 在后，汽车静止时，传感器 a、b 的示数均为10 N(取 g10 m/s2)(1)若传感器 a 的示数为 14.0 N，b 的示数为 6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器 a 的示数为零【解析】(1)如右图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力 F114 N，右侧弹簧对滑块向左的推力 F26.0 N，滑块所受合力产
10、生加速度 a1，根据牛顿第二定律有 F1F2ma1，得：a1F1F2m146.02.0 m/s24.0 m/s2.a1 与 F1 同方向，即向前(向右)(2)传感器 a 的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力 F10，因两弹簧相同，左侧弹簧伸长多少，右侧弹簧就缩短多少，所以右侧弹簧的弹力变为 F220 N滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得F 合ma2，得 a2F2m 10 m/s2，负号表示方向向后(向左)【答案】(1)4.0 m/s 向右(2)10 m/s2 向左【方法归纳】力传感器是一种测量力的大小的工具此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向
11、时，物体的运动情况有两种可能，某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种跟踪练习1在奥运会上，运动员参加蹦床项目的比赛假设表演时运动员仅在竖直方向运动，通过传感器将弹簧床面与运动员间的弹力随时间变化的规律在计算机上绘出如图所示的曲线，当地的重力加速度为 g10 m/s2，依据图象给出的信息，求：(1)运动员的重力；(2)运动员的最大加速度；(3)运动员蹦离床的最大高度【解析】本题中的隐含条件：由图中可知重力的大小、弹力的最大值、运动员离开蹦床到落回蹦床经历的时间(1)由题图可知 G500 N.(2)由题图可知，运动员受到的最大弹力 F2500 N故 aFmgm250050050 m/
12、s240 m/s2.(3)由题图可知，运动员在离开蹦床到落回蹦床经历的时间为t 总8.7 s6.7 s11.5 s9.5 s2 s，运动员上升阶段与下落阶段经历的时间为 tt总21 s，故 hm12gt25 m.【答案】(1)500 N(2)40 m/s2(3)5 m知识点二 温度传感器的应用重点聚焦1温度传感器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它可以把温度这个热学量转化为电流这个电学量进行自动控制2电熨斗工作时的两个问题(1)常温下，电熨斗的上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？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
13、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)熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的3电饭锅(1)电饭锅中采用了温度传感器，能够随着温度的变化自动控制电路的开关(2)温度传感器的主要元件是感温铁氧体(3)感温铁氧体的组成物质是氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成(4
14、)感温铁氧体特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸收，温度达到约 103，失去铁磁性(居里点，又称居里温度，即指 103)典例精析 如图是电饭煲的电路图，S1 是一个温控开关，手动闭合后，当温度达到居里点(103)时，此开关会自动断开S2 是一个自动温控开关，当温度低于 70时，会自动闭合；温度高于 80时，会自动断开红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯电阻 R1R2500，加热电阻丝 R350，两灯电阻不计(1)分析电饭煲的工作原理(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比(3)简要回答，如果不闭合开关 S1，能将饭煮熟吗？【解析】(1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S2 自动
15、闭合，同时手动闭合 S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态加热到80时，S2 自动断开，S1 仍闭合；温度升高到 103时，开关 S1 自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态由于散热，待温度降至 70时，S2 自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到 80时，S2 又自动断开，再次处于保温状态(2)加热时电饭煲消耗的电功率 P1U2R并，保温时电饭煲消耗的电功率 P2U2R1R并，两式中 R 并 R2R3R2R35005050050 50011 .从而有P1P2R1R并R并5005001150011121.(3)如果不闭合开关 S1，开始 S2 总是闭合的，R1 被短路，功率为P
16、1，温度上升到 80时，S2 自动断开，功率降为 P2，温度降低到 70，S2 自动闭合温度只能在 7080之间变化，不能煮熟饭【答案】(1)见解析：1(3)见解析【方法归纳】分析电饭煲的工作原理，关键的地方一是温控开关 S1，超过居里点会自动断开，二是 S2 自动温控开关低于 70时会自动闭合，高于 80时会自动断开掌握了两个开关的特点，也就会分析电饭煲的工作原理了跟踪练习2如图甲所示为温度在 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，它的电阻随温度的变化图象如图乙所示，当 a、b 两端电压Uab0 时，电压鉴别器会令
17、 S 断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在多少摄氏度？【解析】Uab0 时，R1、R2、R3 和 RT 的关系为R1R3R3RT，得出RTR2R3R1 20 k，由图乙可读出对应的温度 T35.【答案】35知识点三 光传感器的应用火灾报警器重点聚焦利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器其工作原理：报警器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，就会发出警报说明：常见的光传感器：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等典
18、例精析 如下图(1)所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过光敏电阻的电流和光强的关系曲线如下图(2)所示，试根据这一特性设计一个路灯自动控制电路【解析】由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大根据题意设计一个路灯自动控制电路如下图所示控制过程是：当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合衔铁使两个常闭触点断开；当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作【答案
19、】见解析【方法归纳】设计自动控制电路，常用的一种仪器是电磁继电器，改变电磁铁中的电流，从而实现自动控制，无论是光敏电阻，还是热敏电阻，都是根据需要控制电流，从而控制电路跟踪练习3如图所示，电源两端的电压恒定，L 为小灯泡，R 为光敏电阻，D 为发光二极管(电流越大，发光越强)，且 R 与 D 距离较近且不变，下列说法中正确的是()A当滑片 P 向左移动时，L 消耗的功率增大B当滑片 P 向左移动时，L 消耗的功率减小C当滑片 P 向右移动时，L 消耗的功率可能不变D无论怎样移动滑动触头 P，L 消耗的功率不变【解析】电源电压恒定，也就是说，并联电路两端电压恒定，当滑片触头向左移，二极管所在支路
20、电流增大，二极管的发光强度增大，光敏电阻 R 变小，灯泡所在支路电流增大，灯泡的功率增大，故选 A.【答案】A4 新思维随堂自测1.下列器件不是应用温度传感器的是()A电熨斗 B话筒C电饭锅 D测温仪【答案】B2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的B当应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之则变小C传感器输出的是应变片的电压D外力越大，输出的电压差值也越大【解析】应变片是由半导体材料制成的，A 错；电阻 Rls，应变片拉伸，l 变大，R 值变大，应变片压缩，l 变小，R 值变小，B正确；传感器输出的上、下应变片两端的电压差值，C 错；外力越大，输出的电压差值也
21、越大，D 正确，故选 BD.【答案】BD3关于鼠标器与火灾报警器的理解，下列说法中正确的是()A机械式鼠标器中的光传感器就是两个红外线接收管，它的作用就是把光信号(红外线脉冲)转换成电信号(电脉冲)B机械式鼠标器中的光传感器是由两个滚轴、两个码盘、两个红外线发射管(LED)和两个红外接收管组成的C火灾报警器中的光传感器是光电三极管，它的作用也是把光信号转换成电信号D火灾报警器是利用烟雾对光的散射作用来工作的【解析】机械式鼠标器是光传感器，其中充当光传感器的是两个红外线接收管火灾报警器也是光传感器，其中的光传感器是光电三极管机械式鼠标器中的光传感器就是两个红外线接收管，作用是把光信号(红外线脉冲
22、)转换成电信号(电脉冲)，故选项 A 正确，选项 B错误；火灾报警器中的光传感器是光电三极管，它是利用烟雾对光的散射作用来工作的，因此选项 CD 正确【答案】ACD5 新视点名师讲座传感器与自动控制的设计传感器在自动控制系统中有着广泛的应用，小到儿童玩具，大到宇宙飞船，传感器的身影随处可见，如果让我们设计一个自动控制装置，应如何进行呢？1要明确设计意图，弄清控制条件和相应的自动控制原理2要明确应该选用哪种传感器，该传感器怎样感知控制条件及怎样转换为电学量输出3选用什么样的执行机构，该执行机构怎样执行自动控制4采用什么样的电路来实现自动控制总之，要明确传感器应用的一般流程：传感器 感受信息转换、
23、放大、传输执行机构 如图所示的是某种电子秤的原理示意图，AB 为一均匀的线性电阻，阻值为 R，长度为 L，两边分别有 P1、P2 两个滑动头，P1 可在竖直绝缘光滑的固定杆 MN 上保持水平状态而上下自由滑动弹簧处于原长时，P1 刚好指着 A 端，P1 与托盘固定相连若 P1、P2 间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小已知弹簧的劲度系数为 k，托盘自身质量为 m0，电源电动势为 E，内阻不计，当地的重力加速度为 g.求：(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1 到 A 端的距离x1；(2)托盘上放有质量为 m 的物体时，P1 到 A 端的距离 x
24、2；(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节 P2，使P2 到 A 端的距离也为 x1，从而使 P1、P2 间的电压为零校准零点后，将物体 m 放在托盘上，试推导出物体质量 m 与 P1、P2 间的电压 U 之间的函数关系式【解析】托盘的移动带动 P1 移动，使 P1、P2 间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于 R 为均匀的线性电阻，则其电阻与长度成正比(1)由力的平衡知识可得 m0gkx1，解得 x1m0gk.(2)放上重物重新平衡后，m0gmgkx2，解得 x2mm0gk.(3)由闭合电路欧姆定律可知 EIR，由部分电路欧姆定律可得 UIR 串，由于R串R xL，其中 x 为 P1、P2 间的距离，则 xx2x1mgk，联立以上各式解得 mkLgEU.【答案】(1)m0gk (2)mm0gk(3)mkLgEU
