高中物理 第5章 传感器及其应用 第2节 常见传感器的工作原理+第3节 大显身手的传感器教师用书 鲁科版选修3-2

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.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()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许多办公场所楼道灯具有这样的功能：天黑时，出现声音它就开启，而在白天，即使有声音它也没有反应探讨1：请分析满足上述条件的控制电路中有哪些传感器？是物理传感器还是化学传感器？【提示】接入了两种传感器：光传感器(光敏电阻)；声传感器(通常用微型驻极体话筒)以上两种传感器均为物理传感器探讨2：光敏电阻一般由什么材料组成？和电学中的一般电阻一样吗？【提示】光敏电阻一般由半导体材料做成，而电学中常见电阻一般由金属材料制成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1如图524所示，R1、R2为定值电阻，L为电阻丝，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，下列选项中不正确的是()图524A电压表的示数增大BR2中电流减小C电阻丝的功率增大D电路的路端电压增大【解析】当光照强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小；结合干路电流增大知流过电阻丝的电流必增大，则电阻丝的功率增大，故本题选项为D.【答案】D2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525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525【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 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()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在机场的出入口等公共场所快速准确地筛查体温偏高的人员，应用普通的体温计不可能完成，现在用非接触式测温仪可以很好地完成检测探讨1：这种测温仪利用了什么传感器？【提示】红外线传感器由于物体的温度不同，发射红外线的情况不同，因此利用红外线敏感元件可以实现无接触测温探讨2：这种测温仪的优点是什么？【提示】有两大优点：(1)非接触式红外测温仪在测温时不必与被测物体表面接触(2)可立即显示体温值1洗衣机水位控制装置压力传感器工作原理图及结构：图531(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(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(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3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3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【解析】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【答案】C4在发生地震及泥石流灾害时，救援队借助“生命探测仪”可以发现深埋在废墟中的伤员，根据所学知识，你认为“生命探测仪”可能用到了()A红外线传感器 B压力传感器C振动传感器D电容传感器【解析】伤员被深埋在废墟中，借助红外线传感器，可以感知人与周围环境的差别，因伤员与尸体的温度不同，借助探测仪可以探测到活着的被困人员A正确【答案】A5(2016大同期末)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532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532Aa、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【解析】a、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【答案】D压力传感器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学业分层测评(十四)(建议用时：45分钟)学业达标1街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的()A压敏性B光敏性C热敏性D三种特性都利用【解析】由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天与夜晚，所以选B.虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外还与季节有关，因此不能选C.【答案】B2关于干簧管，下列说法正确的是()A干簧管接入电路中相当于电阻的作用B干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的C干簧管接入电路中相当于开关的作用D干簧管是作为电控元件以实现自动控制的【解析】干簧管的簧片在磁力的作用下闭合或断开，从而在接入电路中相当于开关的作用【答案】C3“嫦娥一号”卫星上装有8种24件探测仪器，其中可能有()A味觉传感器B气体传感器C听觉传感器D视觉传感器【解析】“嫦娥一号”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，真正需要的是为月球“画像”的视觉传感器立体相机【答案】D4下列情况不可能是由于水位控制装置损坏引起的是()A洗衣机不加水B洗衣机加水不能自动停止C洗衣机不排水D洗衣机不洗衣【解析】洗衣机水位控制装置正常，才能正常加水，且加到合适的水位，若损坏可能导致一直不加水或一直不停地加水，所以A、B可能，而这两种情况都会导致洗衣机洗衣程序不工作，所以D可能，故选C.【答案】C5(2016乐东高二检测)当你走近某些写字楼、机场、宾馆等大厅的入口时，大门会自动打开，进入大厅后，门又会自动关闭，关于这种自动门的下列说法中正确的是()A控制这种自动门开关的是一种红外线传感器B控制这种自动门开关的是一种普通光电传感器，能使自动门“见光开”C大人走近门会自动打开，小孩走近门，门不会自动打开D男孩走近门会自动打开，女孩走近门，门可能不会开【解析】控制自动门开关的传感器是红外线传感器，A对，B错；尽管不同物体(包括大人、孩子)不同温度发出的红外线波长不同，但在设置这个传感器范围时应当充分考虑到大人、小孩个体的差异及人体体温的变化范围大人、小孩、男孩、女孩靠近，门都应当会自动打开，C、D错【答案】A6(多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图526所示Q是绝缘支架，薄金属膜片M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片M振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流当膜片M向右运动的过程中有() 【导学号：78870094】图526A电容变大B电容变小C导线AB中有向左的电流D导线AB中有向右的电流【解析】当声波使膜片M向右运动时，电容器极板间距减小，电容变大，电荷量QUC变大，电源要继续给电容器充电，所以导线AB中有向左的电流，故选项A、C正确【答案】AC7(2016长沙高二检测)传感器广泛应用在我们的生产生活中，常用的计算机键盘就是一种传感器如图527所示，键盘上每一个键的下面都连一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两金属片组成一个小电容器当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号这种计算机键盘使用的是()图527A温度传感器 B压力传感器C磁传感器D光传感器【解析】小金属片被按下时，对该键有一个压力，小金属片向下移动，两个极板之间的距离改变，电容改变，将压力这个力学量转化为电容这个电学量，所以计算机键盘使用的是压力传感器，B正确，A、C、D错误【答案】B8如图528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，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极，把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h的变化情况为() 【导学号：78870095】图528Ah增大 Bh减小Ch不变D无法确定【解析】由题图知，导线芯和导电液体构成电容器的两极，导电液体深度的变化引起两极正对面积S的改变，电容的计算公式为C，电容增大，说明正对面积增大，故导电液体深度h增大【答案】A能力提升9.如图529所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置则()图529A当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高B当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低C当仅增大R2的阻值时，可减小A、B之间的电压D当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压【解析】R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过而遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压UIR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：UEI(R1r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项错误；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误【答案】B10(多选)(2016长春高二期末)利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况如图5210甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离均为0.2 m，则下列说法中正确的是()图5210A传送带运动的速度是0.1 m/sB传送带运动的速度是0.2 m/sC该传送带每小时输送3 600个工件D该传送带每小时输送7 200个工件【解析】在该计数装置中，A是发光的光源，B是光传感器，B中的主要元件是光敏电阻当没有光照射B时，传感器计数一次，由图可看出，1 s计数1次，两工件间距离为0.2 m，所以传送带运动速度是0.2 m/s，每小时输送3 600个工件故正确答案为B、C.【答案】BC11. (2016大庆高二检测)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5211中实线所示，由于环境温度以及熨烫的衣服厚度、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，易损坏衣物图5211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自动稳定在_范围之内【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，相应的生热功率减小，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)T6TT712有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图5212中的虚线所示它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表)其中AOBO51.已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示： 【导学号：78870096】图5212压力F/N050100150200250300电阻R/300270240210180150120设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.68 V，则：(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？【解析】(1)由表中数据可归纳得出：R3000.6F(R和F的单位分别为和N)(2)依题意可知，电子秤空载时压力传感器的电阻R1300 ，电路中的电流为I A15.6 mA，所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6 mA处(3)当电流表刻度盘的读数为I220 mA时，压力传感器的电阻R2 234 由R3000.6F()，算得F2110 N再由F2AOGBO得G550 N.【答案】(1)R3000.6F(R和F的单位分别为和N)(2)15.6 mA(3)550 N