2019-2020学年高中物理 第5章 传感器及其应用 第3节 大显身手的传感器学案 鲁科版选修3-2

1 第第 3 3 节节 大显身手的传感器大显身手的传感器 1 了解传感器应用的一般模式 2 感受传感器技术给人类生活带来的便利 了解传感器应用的设计思路 3 理解传感器在洗衣机水温控制装置 自动门 指纹识别器 机器人中的工作原理 学生用书 p62 一 洗衣机水位控制装置 1 全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器 2 组成 外筒和内筒 气室 传感器的膜盒 3 工作原理 当洗衣机筒内的水位达到设定标准时 气体压强增大到使传感器的膜片 向上凸起 凸起的膜片使动触点与静触点脱离 并与另外一个静触点接触 从而控制电路 的通断 1 压力传感器是将什么信号转变为电信号的 能否举另外一例 提示 将压力信号转变为电信号 常见的还有电子秤 二 自动门 指纹识别器 1 自动门 1 组成 红外线传感器 2 工作原理 当有人接近自动门时 传感器接收到人体发出的红外线 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钟后 定时器又使继电器断电 自动门电 动机反转 门自动关闭 3 自动门工作流程 传感器处理电路驱动电路 继电器 自动门电动机 延时电路 2 指纹识别器 1 组成 电容传感器 2 2 工作原理 当用户的手指放在绝缘表面上时 皮肤就组成了电容阵列极板的另一 面 由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同 使电容阵列中不同位置的电容器的 电容值也不相同 通过读取这些电容的差异 就能够获取指纹信息 3 电容式传感器的工作原理 依据平行板电容器的公式c 改变s或d或 s 4 kd 都可以改变电容器的电容c 2 在机场 车站 码头等人员集散地都设有体温检测点 为什么测体温时一般不用水 银温度计 而用红外线测温仪 提示 用水银温度计 测温时间长 同时又容易引起交叉感染 用红外线测温仪测温 速度快 也不需要与人体直接接触 又避免了交叉感染 因此用红外线测温较好 三 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 1 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 从而使机器人具有拟人化的特点 2 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 3 机器人上安装的传感器和人类感官有怎样的相对应关系 提示 光电传感器 视觉 声电传感器 听觉 气敏传感器 嗅觉 化学传感 器 味觉 压敏 温敏 流体传感器 触觉 压力传感器的应用 学生用书 p63 1 应变式力传感器 1 组成 由金属架和应变片组成 2 工作原理 如图甲所示 弹簧钢制成的梁形元件右端固定 在梁的上下表面各帖一 个应变片 在梁的自由端施加力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 3 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 2 全自动洗衣机水位控制装置的工作原理 全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器 图乙中 1 和 2 分别是洗衣机的 外筒和内筒 3 是气室 4 是传感器的膜盒 气室下部与外筒连通 上部与软管 传感器的 膜盒连通 向内筒中注水时 水通过内筒壁上的小孔流入外筒 部分水进入气室 气室内 被密封的空气压强增大 使传感器的膜片向上凸起 如图丙所示 当筒中水位到达设定的 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 开始洗涤衣物 命题视角 1 全自动洗衣机的工作原理 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 故选项 c 符合题意 答案 c 命题视角 2 压力传感器的综合应用 有一种测量人体重的电子秤 其原理图如图中的虚线所示 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ao bo 5 1 已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示 4 压力 f n 050100150200250300 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 解题探究 1 压力传感器的工作原理是什么 2 由图表数据可获取什么信息 解析 1 由表中数据可归纳得出 r 300 0 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r1 300 电路中的电流为 i a 15 6 ma 所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的 15 6 ma 处 u r 4 68 300 3 当电流表刻度盘的读数为i2 20 ma 时 压力传感器的电阻r2 234 u i2 4 68 0 02 由r 300 0 6f 算得f2 110 n 再由f2 ao g bo得g 550 n 答案 1 r 300 0 6f r和f的单位分别为 和 n 2 15 6 ma 3 550 n 涉及压力传感器应用问题 其基本原理是通过压力改变电阻 从而改变电路中的电流 通过电流表示数反映压力的大小 传感器与自动控制 学生用书 p64 5 1 红外线传感器 红外线传感器接收携带着信息的红外线 转换成电信号 从而得知 辐射源的相关参数或信息 自然界几乎所有的物体都能辐射波长在 0 76 1 000 m 的电 磁波 即红外线 因此红外线传感器不仅被广泛应用于航空摄影 卫星遥感 遥测等高科 技领域 也被广泛应用于日常生活中 自动门 生命探测器 非接触式红外测温仪 家电 遥控系统以及防盗 防火报警器等均使用了红外线传感器 2 传感器系统在机器人中的作用 传感器系统在机器人中起着非常重要的作用 是机器人的感觉器官 可以分为外部传 感器和内部传感器 1 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 外部传感器包括视 觉传感器 相当于眼睛 超声波传感器和语音识别装置 相当于耳朵 温度传感器 相当于 皮肤 压力传感器 位移传感器和温度传感器 相当于手 嗅觉 味觉传感器等 2 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 命题视角 1 红外线传感器的应用 在防治 非典 期间 在机场 车站等交通出入口 使用了红外线热像仪 红 外线热像仪通过红外线遥感 可检测出经过它时的发热病人 从而可以有效控制疫情的传 播 关于红外线热像仪 下列说法正确的是 a 选择红外线进行检测 主要是因为红外线光子能量小 可以节约能量 b 红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测 c 红外线热像仪同时还具有杀菌作用 d 一切物体都能发射红外线 而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同 解析 红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的 故选项 d 正确 答案 d 命题视角 2 自动门的原理 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 门关闭会遮蔽红外线源 红外线源没有画出 经 实际试验 灯的亮灭能反映门的开 关状态 门打开时两灯的发光情况以及r2两端电压 ur2与门关闭时相比 6 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 门打开时r3减小 导致r总减小和i总增加 ur和ur1变大 ur2 e ur1 ur 减 小 ir3 i总 增加 电磁继电器磁性增强把衔铁拉下 红灯亮 绿灯灭 选项 ur2 r2 a b c 错误 选项 d 正确 答案 d 命题视角 3 自动化控制的综合应用 如图所示 甲为温度在 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r1 20 k r2 10 k r3 40 k rt为热敏电阻 它的电阻随温度变化的 图线如图乙所示 当a b端电压uab 0 时 电压鉴别器会令开关 s 接通 恒温箱内的电 热丝加热 使箱内温度升高 当uab 0 时 电压鉴别器会令开关 s 断开 停止加热 恒温 箱内的温度恒定在 解析 设电路的路端电压为u 当uab 0 时 是电热丝加热的临界状态 7 此时r1 r3 解得rt 20 k u r1 r2 u r3 rt 由题图乙知 当rt 20 k 时 t 35 答案 35 传感器与自动控制问题通常是利用传感器中的敏感元件与电路结合分析 要把握两点 1 明确组成传感器的敏感元件的特性 2 注意电路的结构及串 并联的分析计算方法 传感器的电路设计与分析技巧 学生用书 p65 1 感受量分析 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 采用风力发电给蓄电池充电 为路灯提供电能 是现代城市 亮化 工程的方 向 用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关 实现自动控制 光敏电阻的阻值随照射 光的强弱而变化 作为简化模型 可以近似认为 照射光较强 如白天 时电阻几乎为 0 照射光较弱 如黑天 时电阻接近于无穷大 利用光敏电阻作为传感器 借助电磁开关 可 以实现路灯自动在白天关闭 黑天打开 电磁开关的内部结构如图所示 1 2 两接线柱之 间是励磁线圈 3 4 两接线柱分别与弹簧片和触点连接 当励磁线圈中电流大于 50 ma 时 电磁铁吸合铁片 弹簧片和触点分离 3 4 断开 电流小于 50 ma 时 3 4 接通 励磁线 圈中允许通过的最大电流为 100 ma 1 利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路 画出电路原理图 光敏电阻r1 符号 8 灯泡 l 额定功率 40 w 额定电压 36 v 符号 保护电阻r2 符号 电磁开关 符号 蓄电池e 电压 36 v 内阻很小 开关 s 导线若干 2 回答下列问题 如果励磁线圈的电阻为 200 励磁线圈允许加的最大电压为 v 保护电 阻r2的阻值范围为 在有些应用电磁开关的场合 为了安全 往往需要在电磁铁吸合铁片时 接线柱 3 4 之间从断开变为接通 为此 电磁开关内部结构应如何改造 请结合本题中电磁开关 内部结构图说明 任意举出一个其他的电磁铁应用的例子 解析 2 um imr 100 10 3 200 v 20 v e i r2 r 其中 50 ma i 100 ma 故r2在 160 520 之间 答案 1 2 20 160 520 把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧 保证当电磁铁吸合铁片时 3 4 之间接通 不吸合时 3 4 之间断开 电磁起重机 现有热敏电阻 电热丝 电源 电磁继电器 滑动变阻器 开关各 一个 导线若干 如图所示 试设计一个温控电路 要求温度低于某一温度时 电热丝自 动通电加热 超过某一温度时 又可以自动断电 画出电路图并说明工作过程 9 解析 热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路 电路图如图所示 工作过程 闭合开关 s 当温度低于设计值时 热敏电阻阻值大 通过电磁继电器的 电流小 电磁铁磁性弱 不能将衔铁p吸下 触点 k 接通 电热丝通电加热 当温度达到 设计值时 热敏电阻阻值减小到某值 通过电磁继电器的电流变大达到工作电流 电磁铁 磁性增强 将衔铁p吸下 触点 k 断开 电热丝断电 停止加热 当温度低于设计值时 又重复前述过程 答案 见解析 随堂检测 学生用书 p66 1 类人型机器人装有作为眼睛的 传感器 犹如大脑的 控制器 以及可以行走的 执行器 在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯 下列有关该机器人 眼睛 的说法 中正确的是 a 是力传感器 b 是光传感器 c 是温度传感器 d 是声音传感器 解析 选 b 遇到障碍物会绕开 说明它是光传感器 b 正确 a c d 错误 2 当你走近豪华宾馆 酒楼的大门时 门就自动为你打开 当你走进门之后 门又在 你身后自动关上 你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息 a 温度 b 运动 c 人 d 光线 解析 选 d 自动门的自动控制要求灵敏 可靠 自动门使用的是红外线传感器 红外 线属于不可见光 人在白天或黑夜均发出红外线 传感器接收到人体发出的红外线后传给 自动控制装置的电动机 实现自动开门 10 3 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 反之变小 c 传感器输出的是应变片电压 d 外力越大 输出的电压差越小 解析 选 b 应变片是由半导体材料制成的 a 错误 应变片的表面拉伸时 r值变大 应变片压缩时 r值变小 b 正确 传感器输出的是应变片两个电压的差值 外力越大 输 出电压差值越大 c d 错误 4 多选 如图所示为电熨斗的结构图 下列关于电熨斗的说法正确的是 a 电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片 两片金属的膨胀系数相同 b 常温下 上下触点是接触的 温度过高时 双金属片发生弯曲使上下触点分离 c 需要较高温度熨烫时 要调节调温旋钮 使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移 d 电熨斗中的双金属片是一种半导体材料 解析 选 bc 电熨斗主要是利用双金属片的膨胀系数不同而自动控制温度的 选项 a 错误 常温下 上下触点是接触的 温度过高时 双金属片发生弯曲使上下触点分离 选 项 b 正确 需要较高温度熨烫时 要调节调温旋钮 使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移 选项 c 正确 电熨斗中的双金属片是金属材料 选项 d 错误 5 如图所示 a是浮子 b是金属触头 c为住宅楼房顶上的蓄水池 m 是带水泵的电 动机 d是弹簧 e是衔铁 f是电磁铁 s1 s2均为触点开关 s 为开关 j为电池 请 利用上述材料 设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置 1 连接电路图 2 简述其工作原理 涉及的元件可用字母代替 11 解析 1 连接线路如图所示 2 按图连接好电路 合上开关 s 水泵工作 水位升高 当浮子上升使b接触到 s1时 左侧电路 控制电路 工作 电磁铁f有磁力 拉下衔铁e 使 s2断开 电动机 m 不工作 停止注水 当水位下降使b与 s1脱离 左侧电路停止工作 f无磁性 d拉动e 使 s2接 通 m 工作 答案 见解析 课时作业 学生用书 p105 单独成册 一 单项选择题 1 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 选 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 机器人技术发展迅速 以下哪方面是现有的机器人不能很好地完成的 a 汽车工业中自动焊接领域 b 深水探险 c 艺术体操和与人对话 d 机械加工 解析 选 c 现有的机器人技术仅限于制造工艺 计算机技术和传感器技术 还很难达 到类似人对肢体的控制能力 其动作精确但较僵硬 语音识别能力还很差 但在其他几个 方面机器人都有较好表现 3 指纹识别器在下列哪些方面可以得到广泛应用 a 乘坐客车购票时 b 过公路收费处时 c 放学出校门口时 d 开银行保险柜时 解析 选 d 指纹识别用于对特定人的身份识别 在具有特殊要求的场合应用此项技术 12 a b c 三项不需要严格的身份验证 所以不必使用这一技术 4 小强用恒温箱进行实验时 发现恒温箱的温度持续升高 无法自动控制 经检查 恒温箱的控制器没有故障 参照图示 下列对故障判断正确的是 a 只可能是热敏电阻出现故障 b 只可能是温度设定装置出现故障 c 热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障 d 可能是加热器出现故障 解析 选 c 由恒温箱原理图可知 若热敏电阻出现故障或温度设定出现故障都会向控 制器传递错误信息 导致控制器发出错误指令 c 正确 a b 错误 若加热器出现故障 只有一种可能 即不能加热 而题中加热器一直加热才会使温度持续升高 d 错误 5 如图所示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亮灯报警 b 温度升高至 74 时 l2亮灯报警 c 温度升高至 78 时 l1亮灯报警 d 温度升高至 78 时 l2亮灯报警 解析 选 d 当温度低于 78 时 线圈中没有电流 此时灯 l1亮 但不报警 当温度 升高到 78 时 线圈中有电流 磁铁吸引衔铁 灯 l2被接通 所以灯 l2亮且报警 温度 升高至 74 时 线圈中没有电流 只是灯 l1亮 不会报警 6 酒精测试仪用于对机动车驾驶人员是否酒后驾车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 13 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 显示仪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 a u越大 表示c越大 c与u成正比 b u越大 表示c越大 但是c与u不成正比 c u越大 表示c越小 c与u成反比 d u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是正比关系 即 kc 1 r 电路中的电流为i e r r r0 r 电压表示数 u ir0 er0 r r r0 r kr0e k r r0 r 1 c 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 二 多项选择题 7 传感器是一种采集信息的重要器件 如图所示是一种测定压力的电容式传感器 当 待测压力f作用于可动膜片电极上时 可使膜片产生形变 引起电容的变化 将电容式传 感器 灵敏电流计和电源串接成如图所示的闭合电路 那么下列说法正确的是 a 当f向上压膜片电极时 电容将减小 b 若灵敏电流计有示数 则压力f发生了变化 c 若灵敏电流计有向右的电流通过 则压力f在增大 d 若灵敏电流计有向右的电流通过 则压力f在减小 解析 选 bc 当f向上压膜片电极时 两电极之间的距离变小 使得电容变大 选项 a 错误 当灵敏电流计有示数时 说明电容式传感器正在进行充放电 而电容式传感器始 14 终与电源相连 即电压不变 所以说明其电容在发生变化 一定是压力f发生了变化 选 项 b 正确 由于电容式传感器固定电极接在电源的正极 灵敏电流计有向右的电流通过 则说明电流流向电容式传感器的固定电极 所以电容在变大 即间距在减小 力f在变大 选项 c 正确 d 错误 8 全自动洗衣机中 排水阀是由程序控制器控制其动作的 当洗衣机进行排水和脱水 工序时电磁铁的线圈通电 使电磁铁的铁芯 2 动作 牵引排水阀的活塞 排出污水 牵引 电磁铁的结构如图所示 以下说法正确的是 a 若某时刻输入控制电流时 a为正 b为负 则铁芯 2 中a端为 n 极 b端为 s 极 b 若某时刻输入控制电流时 a为正 b为负 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 铁芯 2 不能吸入线圈中 d 若a b处输入交变电流 铁芯 2 能吸入线圈中 解析 选 bd 若输入控制电流由a流入 b流出 则铁芯 1 左端为 n 极 右端为 s 极 它将使铁芯 2 被磁化 a端为 s 极 b端为 n 极 并吸入线圈中 若a b处输入交变电流 铁芯 2 仍能被吸入线圈中 故选 b d 9 如图甲所示是一天花板上的火灾报警器 其内部结构原理如图乙所示 它是利用烟 雾对光的散射来工作的 下列关于该报警器原理的说法正确的是 a 罩内的光电三极管将光强度这个非电学量转化为电流这个电学量 b 罩内的光电三极管将光强度这个非电学量转化为电阻这个电学量 c 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 d 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 其电阻变大 解析 选 bc 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 所以选项 b c 正确 选项 a d 错误 15 10 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 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 acd 感温铁氧体的特点 在 103 以下具有较强的磁性 在 103 以上失去磁性 故 a