学案2 传感器的应用 用传感器制作自控装置
[目标定位] 1.了解传感器在生活和生产中的应用，尝试运用传感器的知识解释一些生活中的问题.2.了解传感器应用的一般模式.3.能设计简单的应用传感器的控制电路．
一、传感器的应用
[要点提炼]
1．生活中的传感器
电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等与温度控制相关的家用电器都要用到温度传感器；自动门、家电摇控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等，均使用了红外线传感器；另外还有照相机中的光敏传感器、家用便携式电子秤的压力传感器等．
(1)电熨斗中双金属片温度传感器的工作原理：温度变化时，因双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断．
(2)电饭煲的工作原理：电饭煲应用了温度传感器，其主要的感温元件是感温铁氧体．
①居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103 ℃时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”．
②自动断电原理：用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当电饭煲内温度达到103_℃时，感温铁氧体失去铁磁性，与永磁体失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使触点开关断开．
2．农业生产中的传感器
无人管理的自动灌溉系统利用了湿度传感器；自动化温室种植中，温室的自动控温就是在温度传感器的帮助下实现的；现代粮库采用了温度传感器和湿度传感器．
3．工业生产中的传感器
生产安全中，如将一种埋入式光纤传感器安置在大桥或水坝中，随时可以监控大桥或水坝的裂痕等安全隐患；在自动控制系统中，如数控机床中的位移测量装置就是利用高精度位移传感器(如光栅传感器)进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工．
4．飞向太空的传感器
在运载火箭、载人飞船中，应用传感器供遥测和遥控系统使用；对宇航员各种生理状况的测量有生理传感器，如测量血压、心电图、体温等．
二、用传感器制作自控装置
课题：应用光敏电阻制作光控自动照明灯电路
图1
实验器材
二极管VD、晶闸管VS、光敏电阻RG、电阻R(7.5 MΩ)、灯泡L.
实验原理
由晶闸管VS与电灯L构成主回路，控制回路由R与RG组成的分压器及二极管VD构成，如图1所示．
1．当白天自然光线较强时，光敏电阻呈低电阻，与R分压后使晶闸管VS门电极处于低电平，VS关断．
2．当夜幕降临时，照在RG上的自然光线减弱，RG呈高阻，使VS的门电极处于高电平，VS获正向触发电压而导通，灯L亮．
3．改变R的阻值，即改变其与RG的分压比，可调整电路的起控点．
一、传感器的应用实例
例1 电饭煲的结构如图2所示．
图2
(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？
(2)煮饭时水沸腾后煲内是否会大致保持一定的温度？为什么？
(3)饭熟后，水分被大米吸收，煲底的温度会有什么变化？这时电饭煲会自动发生哪些动作？
(4)如果用电饭煲烧水，能否在水沸腾后自动断电？
答案 (1)煮饭时压下开关按钮，感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起，触点相接，电路接通，开始加热，手松开后，由于煲内的温度低，感温磁体与永磁体相互吸引而不能使按钮恢复到题图所示的状态．
(2)煮饭时水沸腾后煲内的温度基本保持在水的沸点不变．因为水沸腾时，温度不变．
(3)饭熟后，水分被大米吸收，煲底的温度会升高，当温度上升到“居里温度”(约103 ℃)时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁铁与之分离，开关自动断开，且不能自动复位．
(4)不能，因为如果用电饭煲烧水，水沸腾后，煲内的温度保持在100 ℃不变，低于“居里温度”103 ℃，电饭煲不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103 ℃才能自动断电，因此用电饭煲来浇水、煲汤不能实现自动控温．
例2 电饭煲的工作原理如图3所示，可分为两部分，即控制部分：由S2、R1和黄灯组成．工作(加热)部分：由发热电阻R3、R2和红灯组成，S1是一个磁铁限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时，自动断开，且不能自动复位(闭合)，S2是一个双金属片自动开关，当温度达到70～80 ℃时，自动断开，低于70 ℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过的电流必须较小，所以R1、R2起________作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70 ℃，所以S2是________(填“断开的”或“闭合的”)．接通电源并按下S1后，黄灯灭而红灯亮，R3发热，当温度达到70～80 ℃时，S2断开，当温度达到103 ℃时饭熟，S1断开，当温度降到70 ℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2________R3(填“＜”、“＝”或“＞”)，若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象．
图3
解析 R1、R2起的作用是限流，防止指示灯(氖泡)因电流过大而烧毁，S2是自动控制温度开关，当温度低于70 ℃时自动闭合，当温度达到70～80 ℃时又自动断开，使电饭煲处于保温状态，由于R3的功率较大，因此R2＞R3.由于开关S1必须当温度达到103 ℃时才自动断开，而水的沸点只有100 ℃，因此用电饭煲烧水时，直到水被烧干后S1才会断开．
答案 见解析
二、自控装置应用实例
例3 按图4所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是______________________
______________________________________________________________________________；
用电吹风对负温度系数的热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡________，原因是_____________
______________________________________________________________________________；
停止吹风，会发现______________________________________________________________；
把热敏电阻放入冷水中会发现____________________________________________________．
图4
答案 由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁 亮了 电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁 小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高 小灯泡熄灭
例4 某同学设计的家庭电路保护装置如图5所示，铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成．当右侧线圈L2中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开关K，从而切断家庭电路．仅考虑L1在铁芯中产生的磁场，下列说法不正确的有( )
图5
A．家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零
B．家庭电路中使用的电器增多时，L2中的磁通量不变
C．家庭电路发生短路时，开关K将被电磁铁吸起
D．地面上的人接触火线发生触电时，开关K将被电磁铁吸起
解析 由于零线、火线中电流方向相反，产生的磁场方向相反，所以家庭电路正常工作时，L2中的磁通量为零，选项A正确；家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2中磁通量的变化，选项B正确，C错误；地面上的人接触火线发生触电时，线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化，产生感应电流，吸起K，切断家庭电路，选项D正确．
答案 C
传感器的应用
1．(传感器的应用实例)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小．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6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( )
图6
A．物体处于失重状态
B．物体处于超重状态
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
答案 BD
解析 电流表的示数变为2I0且保持不变，说明压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误．
2．(传感器的应用实例)在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图7所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是 ( )
①通电后，其电功率先增大后减小 ②通电后，其电功率先减小后增大 ③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变 ④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变
图7
A．①② B．②③
C．②④ D．①④
答案 D
解析 当温度由零升到t1的过程中，PTC的电阻率ρ随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t＝t1时，P＝P1达到最大．当温度继续升高，ρ增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境的温差也就越大，电热灭蚊器的散热功率P′也就越大，因此在t1～t2之间的
某一温度t3会有P＝P3＝P′，即热功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当t＜t3时，P＞P′，温度自动升高到t3；当t＞t3时，P＜P′，温度自动降到t3，实现自动保温，正确选项为D.
3．(传感器的应用分析)如图8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？
图8
答案 见解析
解析 P、Q应该分别接在触头a、b上，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，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停止加热；当水温降低到一定程度时，热敏电阻温度减小，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧弹上去，使a、b之间连接，加热装置开始加热，从而实现水温控制．
4．(传感器的应用分析)工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在里面，造成工伤事故，工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的．如图9所示为光控继电器的示意图，它由电源、光电管(当有光照射时，在阴极K端会放出电子)、放大器、电磁继电器等几部分组成．这样，当工人不慎将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，光控继电器衔铁立即变化，使机床停止工作，避免事故发生．光控继电器的原理是：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
图9
答案 见解析
解析 光照射光电管时，阴极K发射电子，电路中产生电流，经放大器放大后的电流使电磁铁M磁化，将衔铁N吸住；无光照射光电管时，电路中无电流，N自动离开M，右侧电路接通，灯L亮．
题组一 传感器应用实例
1．关于电饭煲的说法正确的是( )
A．电饭煲中的温度传感器的主要元件是氧化铁
B．感温铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性
C．用电饭煲烧水，水开时能自动断电
D．用电饭煲煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位
答案 BD
2．如图1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，呈现高电阻状态．发生火灾时，下列说法正确的是( )
图1
A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报
B．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
C．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
D．以上说法均不正确
答案 C
解析 由火灾报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，与传感器相连的电路检测出这种变化，发出警报，C对．
3．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是( )
A．热敏电阻和光敏电阻 B．光敏电阻和霍尔元件
C．热敏电阻和霍尔元件 D．光敏电阻和声敏电阻
答案 D
解析 两种传感器分别把声音信号转换为电信号，把光信号转换为电信号，所以选项D正确．
4．如图2是电熨斗的结构图，下列说法正确的是( )
图2
A．双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属
B．常温下，上下触点接触，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，使升降螺丝上升
D．双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断
答案 BD
解析 电热丝通电加热，双金属片温度升高，双金属片的膨胀系数上大下小，温度升高到一定时，双金属片向下弯曲使触点断开，停止供电．A错，B、D对；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，使双金属片稍向下弯曲，这样要使触点断开双金属片向下弯曲程度要大一些，温度也需要更高一些，C错．
题组二 传感器的应用分析
5．如图3所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈．P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱．电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求．其工作方式是 ( )
图3
A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联
B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联
C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联
D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联
答案 A
6．如图4所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路，其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器(图中未画出)相连接．则 ( )
图4
A．当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下
B．当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下
C．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端
D．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、C端
答案 B
解析 当温度降低到某一数值，热敏电阻R的阻值增大，电路中电流减小，继电器L对衔铁P吸引力减小，P将不会被吸下，故A错误．当温度升高到某一数值，热敏电阻R的阻值减小，电路中电流增大，继电器L对衔铁P吸引力增大，P将会被吸下，故B正确．恒温箱内温度高到一定数值后，应与电源断开停止加热，由以上分析可知，温度升高后，A、B端断开，所以工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、B端，故C、D错误．故选B.
7．如图5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( )
图5
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
答案 D
解析 当温度低于78 ℃时，继电器线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警；当温度升高到78 ℃时，继电器线圈有电流，磁铁吸下衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74 ℃时，只是灯L1亮，不会报警，故A、B、C项错，D项正确．
8．图6甲为在温度为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 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，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，恒温箱内的电热丝发热，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________ ℃.
图6
答案 34
解析 设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有R1
＝R3，解得Rt＝20 kΩ.由题图乙可知，当Rt＝20 kΩ时，t＝34 ℃.
图7
9．如图7所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理．
答案 见解析
解析 当开关P在弹簧拉力作用下拉到上面与a接触时，电热丝工作；随着温度升高，热敏电阻温度升高，阻值减小，通过电磁铁的电流增大，电磁铁磁性增强到一定程度时把P吸到b，电热丝停止工作，指示灯亮．
10．如图8所示，1是弹簧，2是衔铁，3是触点，4是电磁铁，5是热敏电阻，6是滑动变阻器，7是电铃，它们组成一种温度自动报警电路．说明这种温度自动报警电路的工作原理．
图8
答案 见解析
解析 当热敏电阻的温度升高时，阻值减小，电磁铁电路中电流增大，当电流达到一定值时，电磁铁吸下衔铁使电铃电路闭合，电铃发声报警．当温度下降后，热敏电阻的阻值增大，电磁铁电路中电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧拉起，电铃电路断开，电铃不发声．
课件19张PPT。
第三节 传感器的应用第四节 用传感器制作自控装置知识点1 生活中的传感器1．温度传感器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜是与温度传感器有关的传感器的应用．2．红外线传感器：自动门、家电遥控器、防火报警器等是与红外线传感器有关的传感器的应用．知识点2 工农业生产及航空航天中的传感器
1．自动灌溉系统利用湿度传感器．
2．现代粮库利用温度和湿度传感器．3．工厂自动化生产线监控系统也是传感器的应用．4．在运载火箭、载人飞船等空间尖端科技领域应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用．知识点3 应用光敏电阻制作光控自动照明电路 如图 3－3－1 所示，白天，光强度较大，光敏电阻的电阻
值较小，加在斯密特触发器 A 端的电压较低，则输出端 Y 输出
高电平，发光二极管 LED 不导通；当天色暗到图 3－3－1 一定程度时，RG 的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输
入端 A 的电压上升到某个值( 1.6 V)，输出端 Y 突然从高电平跳
到低电平，则发光二极管 LED 导通发光(相当于路灯亮了)，这
样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的．
要想在天更暗时路灯才会亮，应该把 R1 的阻值调大些，这
样要使斯密特触发器的输入端 A 电压达到某个值(如 1.6 V)，就
需要 RG 的阻值达到更大，即天色更暗． 【例题】如图 3－3－2 所示的光控电路，用二极管 LED 模
仿路灯，RG 为光敏电阻，R1 的最大电阻为 51 kΩ，R2 为 330 kΩ，
则：(1)试分析此电路的工作原理； (2)如果要使此路灯在天更暗时才会
亮，应该怎样调节 R1 的阻值？并说明原
理．图 3－3－2 解析：(1)白天，光强度较大，光敏电阻RG 电阻值较小，加
在斯密特触发器 A 端的电压较低，则输出端Y 输出高电平，发
光二极管 LED 不导通；当天色暗到一定程度时，RG 的阻值增
大到一定值，斯密特触发器的输入端A 的电压上升到某个值
(1.6 V)，输出端 Y 突然从高电平跳到低电平，则发光二极管
LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明熄
灭，天暗自动开启的目的． (2)要使在天更暗时路灯才会亮，应该把 R1 的阻值调大些，
这样要使斯密特触发器的输入端 A 电压达到某个值(如 1.6 V)，
就需要 RG 的阻值达到更大，即天色更暗．答案：见解析 1．在街旁的路灯、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，实行了自动控制，这是利用半导体的()B A．压敏性
C．热敏性B．光敏性
D．三种特性都利用题型1温度传感器的应用 【例题】图 3－3－3 是电饭煲的电路图，S1 是一个控温开
关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103 ℃)时，会自动
断开．S2 是一个自动控温开关，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．分流电阻 R1＝R2＝500 Ω，加热电阻丝
R3＝50 Ω，两灯电阻不计．图 3－3－3(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：电饭煲盛上食物后，接上电源，S2 自动闭合，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；水烧干后，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． (3)如果不闭合开关 S1，开始 S2 总是闭合的，R1 被短路，
功率为 P1，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 70 ℃～80 ℃之
间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭．
答案：(1)见解析 (2)12∶1 (3)见解析关的特点，也就会分析电饭煲的工作原理了.应用电功率P＝U2
R求解时，必须是纯电阻电路，而题目中电路恰好就是.
规律总结：分析电饭煲的工作原理，关键的地方一是控温
开关 S1，超过居里点会自动断开，二是S2 自动控温开关低于
70 ℃时会自动闭合，高于 80 ℃时会自动断开，掌握了两个开1．(双选)关于电饭锅的说法正确的是()BD A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁
B．铁氧体在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性
C．用电饭锅烧水，水开时能自动断电
D．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自
动复位
解析：电饭锅中的温度传感器是由氧化锰、氧化锌、氧化
铁烧制而成．题型2光传感器的应用 【例题】如图 3－3－4 所示，M 是一小型理想变压器，接
线柱 a、b 接在电压 u＝311 sin 314t(V)的正弦交流电源上，变
压器右侧部分为一火警报警系统原理图，其中 R2 为用半导体热
敏材料制成的传感器，电流表 A2 为值班室的显示器，显示通过
R1 的电流，电压表 V2 显示加在报警器上的电压(报警器未画出)，
R3 为一定值电阻．当传感器 R2 所在处出现火警时，以下说法中正确的是()图 3－3－4A．A1 的示数不变，A2 的示数增大
B．A1 的示数增大，A2 的示数增大
C．V1 的示数增大，V2 的示数增大
D．V1 的示数不变，V2 的示数减小 解析：出现火情时，环境温度升高，使得热敏电阻 R2 的电
阻减小，但变压器输入电压没有变，V1 示数不变，变压器的输
出电压不变，但输出回路的总电阻减小，输出电流增大，R3 两
端电压增大，所以 V2 的示数减小．R1 中电流减小，A2 的示数
减小．输出电流增大，匝数比不变，输入电流增大，A1 的示数
增大．答案：D 2．如图 3－3－5 所示是一火警报警器的部分电路示意图，
其中 R3 为用半导体热敏材料制成的传感器．值班室的显示器为
电路中的电流表，a、b 之间接报警器．当传感器 R3 所在处出现
火情时，显示器的电流 I、报警器两端的电压 U 的变化情况是()图 3－3－5A．I 变大，U 变大
B．I 变大，U 变小
C．I 变小，U 变小
D．I 变小，U 变大 解析：出现火情时，环境温度升高，使得热敏电阻 R3 的电
阻减小，R2 与 R3 并联，总电阻将变小，这部分获得的电压减小，
即 R2 两端电压减小，所以 R2 电流减小即安培表读数减小，外
电路的总电阻减小，所以外电压即报警器两端的电压减小，即
C 正确．
答案：C
