1、3.生活中的传感器目 标 导 航核 心 素 养1.了解传感器在日常生活中的应用。2.了解传感器在生产和生活中给人类带来的便利。3.会分析简单的传感器的应用,能设计简单的应用传感器自动控制电路。4.体会传感器与人的感官的相似作用。物理观念:家电中传感器的作用科学思维:电路分析,检测量分析科学探究:双金属片的特点科学态度与责任:洗衣机、电冰箱必备知识自主学习一、家用电器中的传感器1.洗衣机中的传感器:(1)水位传感器。(2)负载量传感器。(3)水温传感器。(4)布质传感器。(5)洗涤粉传感器。(6)脏污程度传感器。(7)脱水(压电)传感器。2.电冰箱中的传感器:(1)电冰箱的组成:制冷系统;控制系
2、统。(2)电冰箱的控制系统。温度自动控制。除霜温度控制。过热及过电流保护。3.家用报警器:(1)可燃气体报警器。(2)防盗报警器。(3)消防感烟报警器。4.电烤箱中应用的传感器有。热敏电阻感温铁氧体气体传感器磁传感器烟雾传感器声敏传感器二、传感器与人的感官(1)光传感器人的眼睛。(2)化学和生物传感器人的鼻和舌。(3)力学、振动、温度传感器人的手、足、皮肤等。(4)声传感器人的耳朵。关键能力合作学习知识点一传感器的应用分析1.传感器的应用步骤:(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.分析传感器应注意的四点问题:(1)检测量分析:要明确传感器所检测的量
3、,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。(4)执行机构分析:传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转换的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。以力传感器为例:传感器感受力的信息(如大小、方向是否变化等)后转换为电压、电流、电阻等电学量,然后经过放大,传输到执行机构进行某种操作(如借助继电器控制电路通断,借助仪表进行显示等)。以光传感器为例:光传感器感受光的信息(如
4、光的强弱、颜色等),通过敏感元件(如光敏电阻、光电池等)将光的信息转换为电阻、电流等电学量,然后经过放大,传输到执行机构后执行某种操作。【典例】实验室中有一自制电子秤装置,其内部结构如图甲所示,某兴趣小组想测定内部弹簧的劲度系数k。已知电源的电动势为E,内阻可忽略不计,滑动变阻器全长为L,重力加速度为g。当托盘上没有放置重物时,滑片P位于甲图中a点,闭合开关S,当托盘上放置质量为m的重物时,滑片P随托盘一起下移,稳定后,由电压传感器(内阻无穷大)的示数U及其他给定条件,就可测定弹簧的劲度系数k。完成以下问题:(1)在弹簧的弹性范围内,随着m的增大,电压传感器的输出电压U(选填“增大”“减小”或
5、“不变”),电路中的电流(选填“增大”“减小”或“不变”)。(2)写出输出电压U与m的关系U=(用k,m,E,L,g表示)。(3)该兴趣小组通过多次测量的U和m的数值,作出U-m图像如图乙所示,若图像的斜率为b,则弹簧的劲度系数k=。【解析】(1)根据电路图可知,电压表测量aP段的电压,随m增大,P点下移,aP段电阻增大,则电压U增大,而电路中的总电阻为ac段,电阻不变,故总电流不变。(2)重物放在托盘上静止时有:kx=mg,根据串联电路特征知电压表的示数为U=E=。(3)作U-m图像,图像的斜率为b=,则弹簧的劲度系数为k=。答案:(1)增大不变(2)(3)1.压敏电阻的阻值会随所受压力的增
6、大而减小。一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置,如图甲所示,将压敏电阻平放在升降机内,受压面朝上,在上面放一物体m,升降机静止时电流表示数为I0。某过程中电流表的示数如图乙所示,则在此过程中()A.物体的电阻变大B.物体处于失重状态C.升降机一定向上做匀加速运动D.升降机可能向下做匀减速运动【解析】选D。据题意可知,升降机静止时电流表示数为I0,而此过程中电流表示数为2I0,由欧姆定律分析压敏电阻的阻值变小,说明压敏电阻所受压力增大,则物体处于超重状态,故A、B错误;物体处于超重状态时,速度方向可能向下,也可能向上,则升降机可能向下做匀减速运动,也可能向上做匀加速运动,故C错误、D
7、正确。故选D。2.如图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,滑片P滑到A端,滑动变阻器接入电路的有效电阻最大,电流较小;称重物时,在压力作用下使滑片P下滑,滑动变阻器有效电阻变小,电流变大,这样把电流对应的重量值刻在刻度盘上,就可以读出被称物体的重量值,若滑动变阻器上A、B间距离为L,最大阻值等于电阻阻值R0,已知两只弹簧的总弹力与形变量成正比,其比例系数为k,所称重物的重量G与电流大小I的关系为()A.G=2kL+B.G=2kL-C.G=+kLD.G=kIL【解析】选B。由于滑片P的移动,所以接入电路的电阻随重物的增加而减小,设所称重物的重力为G时,弹簧压缩x(AP
8、=x),则电路中的总电阻为R0+R0,由欧姆定律可得E=I(R0+R0),由胡克定律得G=kx,联立两式解得G=2kL-,故选项B正确。3.如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,灯的亮、灭情况的确能反映门的开、关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压与门关闭时相比()A.红灯亮,UR2变大B.绿灯亮,UR2变大C.绿灯亮,UR2变小D.红灯亮,UR2变小【解析】选D。当门打开时,R3受红外线照射,电阻减小,从而使并联电路电阻减小,总电阻减小,电路中总电流I增大,R2两
9、端电压=U并=E-I(R1+r)减小,R2中电流IR2=减小,所以R3中电流I3=I-I2增大,线圈产生的磁场增强,把衔铁吸下,红灯亮,故D正确。【加固训练】1.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。【解析
10、】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2.用如图所示的传感器可以测物体的位移,说明它们的工作原理有什么不同。【解析】甲是将位移信号转化成电容信号,乙是将位移信号转化成电感信号。答案:见解析知识点二传感器的应用实例1.力传感器的应用电子秤:(1)组成:由金属梁和应变片组成。(2)工作原理: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,下表面的电阻变小。F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变
11、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。外力越大,输出的电压差值也就越大,由电压差值的大小,即可得到外力F的大小。2.温度传感器的应用:(1)电熨斗。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,它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。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,上层金属膨胀大,下层金属膨胀小,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
12、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)电饭煲。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。工作原理:电饭煲工作时,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,电饭煲内温度升高,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,电饭煲停止工作。【典例】如图所示为检测某传感器的电路图,传感器上标有“3 V0.9 W”的字样(传感器可看作一个纯电阻),滑动变阻器R0上标有
13、“10 1 A”的字样,电流表的量程为0.6 A,电压表的量程为3 V。(1)根据传感器上的标注,计算传感器的电阻和额定电流。(2)若电路元件均完好,检测时,为了确保电路各部分的安全,在a、b之间所加的电源电压最大值是多少?(3)根据技术资料可知,如果传感器的电阻变化超过了1 ,则该传感器就失去作用,实际检测时,将一个恒定的电源加在图中a、b之间(电源电压小于上述所求的电压的最大值),闭合开关S,通过调节R0来改变电路中的电流和R0两端的电压,检测记录如表所示。若不计检测电路对传感器电阻的影响,通过计算分析,你认为这个传感器是否还能使用?此时a、b间所加的电压是多少?电压表示数U/V电流表示数
14、I/A11.480.1620.910.22【解析】根据传感器上的铭牌标志,利用电功率公式便可求出电阻和电流;先求出各用电器所能通过的电流,从而比较得出干路最大电流,然后利用相关公式求出最大电压;利用所知物理量及要求未知量,结合数学中的二元一次方程组来解决,最后便可求出所加电压。(1)传感器的电阻为:R传= =10 ,额定电流:I传= A=0.3 A。(2)要求电路各部分安全,则要求电路的最大电流:I=I传=0.3 A,此时电源电压最大值:Um=U传+U0,U传为传感器的额定电压,U0为R0调至最大值R0m=10 时R0两端的电压,即U0=I传R0m=0.310 V=3 V,电源电压最大值:Um
15、=U传+U0=3 V+3 V=6 V。(3)设实际检测时,加在a、b间的电压为U,传感器的实际电阻为R传,根据第一次实验记录数据有:U=I1R传+U1=(0.16R传+1.48) V根据第二次实验记录数据有:U=I2R传+U2=(0.22R传+0.91) V由联立解得:R传=9.5 ,U=3 V传感器的电阻变化为R=R传-R传=(10-9.5) 1 故此传感器仍可使用,电压为3 V。答案:(1)10 0.3 A(2)6 V(3)可用3 V1.有些洗衣机设有多段式水位自动感应装置,该装置采用的传感器是()A.温度传感器B.压力传感器C.声音传感器D.红外线传感器【解析】选B。洗衣机内水位高低不同
16、,对洗衣机水桶的压力不同,因此该装置采用的是压力传感器,故B正确,A、C、D错误。2.一般说来,物体在温度升高时膨胀,温度降低时收缩,这一现象称为热胀冷缩。在相同的条件下,气体的热胀冷缩最显著,液体次之,固体最不显著。固体、液体、气体的这种性质都可以被利用。有一些电冰箱中的自动温度控制装置,就是根据气体热胀冷缩的性质制成的。如图是它的结构示意图,其中金属盒是用薄的弹性钢片制作,表面有一些环状波纹,内部密封有一定量的气体。结合图片尝试分析它的控温原理。【解析】电冰箱内的温度高于设定温度时,金属盒内的气体膨胀,使金属盒的两个侧面凸起来,透过连杆带动控制连杆,动触点向右移动,与两静触点接触,接通工作
17、电路,压缩机工作,电冰箱内温度降低。当温度降低至设定温度以下,金属盒内气体体积减小,金属盒的两个侧面凹进去,通过连杆带动控制连杆,动触点向左移动,导致动触点与静触点分离,切断工作电路,压缩机停止工作。如此反复,保持电冰箱内的温度不高于设定温度。答案:见解析【加固训练】1.如图所示,小铅球P系在细金属丝下,悬挂在O点,开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态,当将小铅球P放入水平流动的水中时,球向左摆动一定的角度,水流速度越大,越大。为了测定水流对小球作用力的大小,在水平方向固定一根电阻丝BC,其长为L,它与金属丝接触良好,不计摩擦和金属丝的电阻,C端在O点正下方处且OC=h。图中还有电动势为E的电
18、源(内阻不计)和一只电压表。请你连接一个电路,使得当水速增大时,电压表示数增大。【解析】如图所示。设CE=x,P球平衡时,由平衡条件可得tan=根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得I=根据电阻定律可得RL=Rx=由、式可得U=,因为水速越大,越大,则U越大。答案:见解析2.现有由具有负温度系数的热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关组成的一个温控电路。温度低于某一温度时,电炉丝自动通电供热,超过某一温度时,又可以自动断电,试说明工作过程。【解析】闭合S,电炉丝通电工作,刚开始加热时,电炉丝温度低,热敏电阻的温度也低,阻值大,通过电磁继电器的电流小,电磁铁磁性小,不能使K断
19、开,于是电炉丝继续通电加热。当温度升高到设计值时,热敏电阻减小到某值,通过电磁继电器的电流达到工作电流,电磁铁磁性增强,将K吸合,电炉丝断电,停止供热;当温度低于设计值时,又重复前述过程。 答案:见解析【拓展例题】考查内容:传感器在航天事业中的应用【典例】在航天事业中要用角速度计测得航天器的自转角速度,结构如图所示,当系统绕轴OO转动时,元件A在光滑杆上发生滑动,并输出电信号,成为航天器的制导信号源,已知A的质量为m,弹簧的劲度系数为k,原长为l0,电源电动势为E,内阻不计,滑动变阻器总长为l,电阻分布均匀,系统静止时滑动变阻器触头P在中点,与固定接头Q正对,当系统以角速度转动时,求:(1)弹
20、簧形变量x与的关系式。(2)电压表示数U与角速度的关系式。【解析】(1)由圆周运动规律知kx=m2R=m2(l0+x)即kx-m2x=m2l0,所以x=(2)由串联电路的规律知U=E=答案:(1)x=(2)U=课堂检测素养达标1.下列关于传感器说法中不正确的是()A.热敏电阻是由金属制成的,对温度感知灵敏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A。热敏电阻是由半导体材料制成的,对温度感知灵敏,选项A错误,符合题意;电子秤所使
21、用的测力装置是力传感器,它是把力信号转化为电压信号,选项B正确,不符合题意;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,选项C正确,不符合题意; 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,选项D正确,不符合题意。故选A。2.在传感器的应用中,下列器件是应用光传感器的是()A.电饭锅B.室内火灾报警器C.测温仪D.电子秤【解析】选B。电饭锅应用温度传感器,选项A错误;室内火灾报警器应用光传感器,选项B正确;测温仪应用温度传感器,选项C错误;电子秤应用压力传感器,选项D错误;故选B。3.“嫦娥三号”卫星上携带多类探测仪器,其中可能有()A.味觉传感器
22、B.气体传感器C.听觉传感器D.视觉传感器【解析】选D。“嫦娥三号”月球卫星是为探测月球而发射的在轨卫星,而月球上无气体,所以不需要气体传感器和听觉传感器,当然也用不到味觉传感器,但需要的是为月球“照相”的视觉传感器CCD立体相机。4.电视机中有一个传感器,它能将遥控器发出的红外线信号转化为电信号。下列装置也利用了这种传感器的是()A.电话机的话筒B.楼道里的声控开关C.空调中的遥控接收器D.冰箱中的温控器【解析】选C。用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。电话机的话筒是将声音转化为电信号,A错误;楼道中的声控开关是将声信号转化为电信号,B错误;空调中的遥控
23、接收器是将光信号转化为电信号,C正确;冰箱中的温控器是将温度转化为电信号,故D错误。5.有一种测量物体重量的电子秤,其电路原理图如图中的虚线部分所示,主要由三部分构成:踏板、压力传感器R(实际上是一个阻值可随压力变化的变阻器)、显示体重的仪表G(实际上是电流表),不计踏板的质量,已知电流表的量程为02 A,内阻为Rg=1 ,电源电动势为E=12 V,内阻为r=1 ,电阻R随压力F变化的函数式为R=30-0.01F(F和R的单位分别为N和),下列说法中正确的是(g取10 N/kg)()A.该秤能测量的最大体重是3 000 NB.该秤的零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的0.37
24、5 A处C.该秤显示重量的刻度是均匀标注的D.该秤显示的压力F与通过电路中的电流I满足F=3 200+【解析】选B。由电阻R随压力F变化的关系式R=30-0.01 F可知,压力越大,电阻越小,电路中电流越大;故量程越大,能测量的最大体重越大;当电流表示数量程为2 A时,电阻R=(-2) =4 ;则F= N=2 600 N;故该秤测量的最大体重是2 600 N,故A错误;当压力为零时,压力传感器的电阻R=30 ,电路中电流I= A=0.375 A,故B正确;由E=I(R+r+Rg)和R=30-0.01F及F=mg可得m=320-,可知该秤显示重量的刻度不是均匀标注的,故C错误,D错误;故选B。【
25、总结提升】关于热敏电阻的两点提醒(1)随温度的升高,热敏电阻的阻值有可能减小,也有可能增大。(2)并非所有半导体材料都可以当成光敏电阻或热敏电阻使用。6.如图所示是一种自动控制水温的装置,加热电路的两个端点P、Q应接在触头a、b之间还是c、d之间?热敏电阻两端M、N应接在哪两个触头之间?【解析】P、Q应该分别接到触头a、b之间,同时,M、N应该分别接e、f。其工作原理是:当水温升高时,热敏电阻阻值减小,电磁铁中电流增大,吸引力增大,衔铁被吸下,a、b断开,使加热装置停止加热;当水温降低到一定程度时,热敏电阻温度降低,电磁铁中电流减小,吸引力减小,衔铁被弹簧拉上去,使a、b之间连接,加热装置开始
26、加热,从而实现水温控制。答案:P、Q应该分别接在触头a、b之间,M、N应分别接在触头e、f之间【加固训练】(多选)全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其运作的,当进行排水的程序时,控制铁芯1的线圈通电,使铁芯2运动,从而牵引排水阀的阀门排除污水(如图所示)。以下说法中正确的是()A.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为N极,B端为S极B.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为S极,B端为N极C.若a、b处输入交变电流,则铁芯2不能被吸入线圈中D.若a、b处输入交变电流,则铁芯2仍能被吸入线圈中【解析】选A、D。若输入的控制电流由a流入,由b流出,则螺线管左端为N极,右端为S极;铁芯被通电螺线管磁化,A端为N极,B端为S极。
