第3节 大显身手的传感器

第3节大显身手的传感器

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物理观念(1)了解常见传感器的工作原理。(2)知道传感器在生产生活中的应用。科学思维具有与传感器相关的运动与相互作用观念。科学态度与责任(1)体会传感技术的应用给人类社会带来的挑战。(2)认识传感技术的应用与人类社会发展的关系。一、自动感应门、洗衣机水位控制装置和指纹识别器1．填一填(1)自动感应门①控制自动感应门开关的是一种

传感器。②自动门工作流程：红外线(2)洗衣机水位控制装置

全自动洗衣机的水位控制装置使用了

传感器。当水位达到设定的高度时接通控制电路，

进水电磁阀门，

洗涤电动机电源。(3)指纹识别器

指纹识别器是通过

传感器来识别指纹的。手指皮肤与电容传感器表面构成了

，由于指纹的凹凸导致不同位置的电容器的电容值也不相同。压力关闭接通电容电容器2．判一判(1)自动感应门能发射红外线感知人体靠近。

()(2)洗衣机水位控制装置使用的是光敏电阻。

(

)(3)指纹识别器使用的是电容传感器。

()3．想一想

为什么指纹的脊和谷相对于另一个极板的距离不同，电容值就不同呢？××√二、机器人1．填一填(1)机器人组成

由机械系统、

系统、信息处理和控制系统组成。(2)机器人传感器的分类

分为

传感器和

传感器。(3)传感器用途

①外部传感器用于感知

工作环境和外界事物对机器人的刺激。包括视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器等。

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

。传感器外部内部外部自身的状态2．判一判(1)传感器系统是机器人的“感觉器官”。

()(2)机器人通过内部传感器感知外部工作环境和外界事物。

()(3)机器人可以通过温度传感器感知环境温度的变化。

(

)3．想一想

如图是一台儿童玩具机器人，最可爱的是两只显明的大眼睛。说一说机器人的“眼睛”有什么功能。提示：机器人的眼睛是视觉传感器，它可以测量物体的距离，识别物体的形状、颜色等。√√×探究(一)

传感器问题分析[问题驱动]如图所示是中大型超市卖场在入口处安装的自动感应单向门，人走到跟前就会自动打开，过去之后自己关闭，这种感应门的工作原理是什么呢？提示：当单向门上的(雷达或者红外线)传感器检测到有人到达入口时，发出开门信号，门自动打开；当人进入后，传感器检测不到人，发出关门信号，门自动关闭。[重难释解]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。

如图所示为一种常见的身高体重测量仪。测量仪顶部向下发射波速为v的超声波，超声波经反射后返回，被测量仪接收，测量仪记录发射和接收的时间间隔。质量为M0的测重台置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比。当测重台没有站人时，测量仪记录的时间间隔为t0，输出电压为U0，某同学站上测重台，测量仪记录的时间间隔为t，输出电压为U，则该同学身高和质量分别为

(

)[答案]

D[素养训练]1．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。如图所示，键盘上每一个键的下面都连有一小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一小的固定金属片，这两个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(

)A．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，作用的压力不一样，小金属片下移的距离不同，两个极板之间的距离不同，电容就不同，即将压力这个力学量转换为电容这个电学量，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：B

2．(2022·北京高考)某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器(可等效为可变电阻)。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2(U1、U2为定值)时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是(

)A．U1<U2B．R2为压力传感器C．若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低D．若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高答案：C

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住了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报B．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C．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D．以上说法均不正确解析：挡板不透明，平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高阻状态。发生火灾时，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，光电三极管电阻变小，检测电路检测出变化发出警报。该传感器是用光传感器实现报警的，故B项正确，A、C、D三项错误。答案：B

探究(二)

电容式传感器的分析[重难释解]1．如图甲所示是用来测定角度θ的电容传感器。当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C

发生变化。知道电容C的变化，就可以知道角度θ的变化情况。2．如图乙所示是测定液面高度h的电容传感器。在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中。导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质。液面高度h发生变化时，引起正对面积S发生变化，使电容C发生变化。知道电容C的变化，就可以知道液面高度h的变化情况。3．如图丙所示是测定压力F的电容传感器。待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化。知道电容C的变化，就可以知道压力F的变化情况。4．如图丁所示是测定位移s的电容传感器。随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化。知道电容C的变化，就可以知道位移s的变化情况。

如图所示为某电容传声器结构示意图，膜片和极板组成一个电容器，当人对着传声器讲话时，膜片会振动。若某次膜片振动时，膜片与极板间的距离减小，则在此过程中

(

)A．膜片与极板所组成的电容器的电容变小B．极板的带电荷量增大C．膜片与极板间的电场强度变小D．电阻R中无电流通过[答案]

B[素养训练]1．电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示。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

(

)A．电容不变

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：膜片M向右运动时，电容器两极板间的距离减小，电容变大。电荷量Q＝CU变大，电源要继续给电容器充电，所以导线AB中的电流由B流向A。答案：C

2．如图所示为一测液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为

导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示的电

路中，已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同，如果发现指

针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为

(

)A．h正在增大

B．h正在减小C．h不变

D．无法确定解析：由电源极性及电流方向可知，A、B、C构成的电容器上的电荷量正在减小，由Q＝CU可知C减小，则正对面积减小，即h在减小，故B正确。答案：B

3．传感器是一种采集信息的重要器件。如图所示为测定压力的电容式传

感器，A为固定电极，B为可动电极，组成一个电容大小可变的电容

器。可动电极两端固定，当待测压力施加在可动电极上时，可动电极

发生形变，从而改变了电容器的电容。现将此电容式传感器与零刻度在中央的灵敏电流表和电源串联成闭合电路，已知电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏转。当待测压力增大时

(

)A．电容器的电容将减小B．灵敏电流表指针在正中央零刻度处C．灵敏电流表指针向左偏转D．灵敏电流表指针向右偏转解析：压力增大，则电容器两极板的间距变小，电容变大。因为电容器两极板间电压不变，所以电容器要充电，电流从正接线柱到负接线柱流过电流表，指针向右偏。答案：D

一、培养创新意识和创新思维1．某同学设计了一个加速度计，如图所示。较重的滑块2可以在

光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，

4是滑动片，它与电阻器任一端之间的电阻值都与它到这端的

距离成正比。这个装置就是一个加速度传感器。两个电池E的电压相同。按图连接电路后，电压表指针的零点位于表盘中央，当P端的电势高于Q端时，指针向零点右侧偏转。将框架固定在运动的物体上，当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向哪个方向偏转？简述你分析的过程。提示：当物体具有题图加速度时，滑块向左移动，P端电势低于Q端，电压表的指针向零点左侧偏转。二、注重学以致用和思维建模2．目前的手机触摸屏大多是电容式触摸屏。电容式触摸屏内有一导电层，导电层四个角引出四个电极，当手指触摸屏幕时，人体和触摸屏就形成了一个电容器，电容器具有“通高频”的作用，从而导致电流分别从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指的触点到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。在开机状态下，下列说法正确的是

(

)A．电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是利用了手指对屏幕按压产生了形变B．电容式触摸屏感测手指触摸点的位置是利用了电磁感应现象C．当手指触摸屏幕时有微弱的电流流过手指D．当手指离开屏幕时，电容变小，电容器对高频电流的阻碍变大，控制器不能检测到手指离开屏幕的准确位置解析：只要触摸电容式触摸屏，控制器通过计算流经四个电极的电流比例就能确定手指的触点的位置，不需要手指对屏幕有压力，故A错误；电容式触摸屏感测手指触摸点的位置利用的是电容器的充放电原理，不是电磁感应现象，故B错误；由题意可知，手指从触摸点吸走一部分电荷，在电荷定向移动的过程中，会有微弱电流通过手指，故C正确；根据电容器的工作原理可知，当手指离开屏幕时，电容变小，电容器将放电，控制器仍然能检测到手指离开的准确位置，故D错误。答案：C

3．电动自行车是一种应用广泛的交通工具，其速度控制是通过转动右把手实现的，这种转动把手称为“霍尔转把”，属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等，截面如图甲所示。永久磁铁的左右两侧分别为N、S极，开启电源时，在霍尔器件的上下面之间加一定的电压，形成电流，如图乙。随着转把的转动，其内部的永久磁铁也跟着转动，霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压，已知霍尔电压与车速关系如图丙所示。以下关于“霍尔转把”的叙述正确的是

(

)A．为提高控制的灵敏度，可改变永久磁铁的上、下端分别为N、S极B．按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套)，车速将变慢C．图乙中从霍尔器件的前后面输出控制车速的霍尔电压D．若霍尔器件的上下面之间所加