第六章 传感器
第2节 传感器的应用
[随堂演练]
1．(力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图6－2－9甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是
图6－2－9
A．0～t1时间内，升降机一定匀速运动
B．0～t1时间内，升降机可能匀减速上升
C．t1～t2时间内，升降机可能匀速上升
D．t1～t2时间内，升降机可能匀加速上升
解析 在0～t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动，故A选项错误，B选项正确；t1～t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D两项都错。
答案 B
2．(温度传感器的应用)传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是
A．生物传感器 B．红外传感器
C．温度传感器 D．压力传感器
答案 C
3．(温度传感器的应用)(多选)如图6－2－10所示是自动调温式电熨斗，下列说法正确的是
图6－2－10
A．常温时上、下触点是接触的
B．双金属片温度升高时，上金属片形变较大，双金属片将向下弯曲
C．原来温度控制在80 ℃断开电源，现要求60 ℃断开电源，应使调温旋钮下移一些
D．由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态，应使调温旋钮下移一些
答案 ABD
4．(光传感器的应用)如图6－2－11为烟雾散射式火灾报警器，它主要由带孔的外罩、发光二极管LED、光电三极管及不透明的挡板组成，请简述它的工作原理。
图6－2－11
解析 报警器工作时发光二极管处于发光状态，由于挡板遮挡，平时光电三极管接收不到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，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会报警。
答案 见解析
[限时检测]
?题组一 力传感器的应用
1．电子秤使用的是
A．超声波传感器 B．压力传感器
C．温度传感器 D．红外传感器
答案 B
2．如图6－2－12所示，两块水平放置的金属板距离为d，用导线、开关K与一个n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场B中。两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为m、电荷量为＋q的小球。K断开时传感器上有示数，K闭合时传感器上恰好无示数。则线圈中的磁场B的变化情况和磁通量变化率分别是
图6－2－12
A．正在增强，＝ B．正在减弱，＝
C．正在减弱，＝ D．正在增强，＝
解析 K闭合时传感器上恰好无示数，说明小球受竖直向上的电场力，且电场力大小等于重力，由楞次定律可判断磁场B正在增强，根据法拉第电磁感应定律E＝n＝U，又q·＝mg得＝，故D正确。
答案 D
3．在探究超重和失重规律时，某重为G的同学站在一压力传感器上完成一次下蹲动作。传感器和计算机相连，经计算机处理后得到压力F随时间t变化的图像，则下列图像中可能正确的是
解析 对人的运动过程分析可知，人在加速下蹲的过程中，有向下的加速度，处于失重状态，此时人对传感器的压力小于人的重力；在减速下蹲的过程中，加速度方向向上，处于超重状态，此时人对传感器的压力大于人的重力，所以D正确。
答案 D
4．如图6－2－13所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动。弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连。若P1、P2间有电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小。已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：
图6－2－13
(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1。
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1与A端的距离x2。
(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是调节P2，使P2离A端的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零。校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式。
解析 托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀滑线电阻，则其阻值与长度成正比。
(1)由力的平衡知识有m0g＝kx1，解得x1＝。
(2)放上物体m重新平衡后m0g＋mg＝kx2，解得
x2＝。
(3)由闭合电路欧姆定律知E＝IR，由部分电路欧姆定律知U＝IR串(R串为P1、P2间电阻)，由＝，其中x为P1、P2间的距离，则x＝x2－x1＝，联立解得
m＝。
答案 (1) (2) (3)m＝
?题组二 光传感器的应用
5．在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是
A．光传感器 B．温度传感器
C．声传感器 D．压力传感器
解析 在电梯门口放置一障碍物，电梯门不停地开关，说明电梯门口有一个光传感器，故A选项正确。
答案 A
6．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
答案 B
7．(多选)如图6－2－14所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是
图6－2－14
A．严重污染时，LDR是高电阻
B．轻度污染时，LDR是高电阻
C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定
D．该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
解析 严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对，B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响，电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光的强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D对。
答案 AD
?题组三 温度传感器的应用
8．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，主要是因为红外线具有荧光效应
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D正确。
答案 D
9．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6－2－15，下列对故障判断正确的是
图6－2－15
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 由恒温箱原理图可知，若热敏电阻出现故障或温度设定装置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，故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，故D错误。
答案 C
10．电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比。现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图6－2－16所示。压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压。若发现电压表示数增大，下列说法正确的是
图6－2－16
A．电梯一定加速上升 B．电梯一定减速下降
C．电梯加速度一定向上 D．电梯加速度一定向下
解析 电压表示数增大说明人对地板的压力变大，对人受力分析知地板对人的支持力大于人所受重力，即人的加速度一定向上，所以电梯可能向上加速，也可能向下减速。
答案 C
11．如图6－2－17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θ，水流速度越大，θ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。
图6－2－17
解析 如图所示，设CE＝x，P球平衡时，由平衡条件可得tanθ＝＝
①
根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得
I＝＝
②
根据电阻定律可得RL＝ρ
③
Rx＝ρ
④
由①、②、③、④式可得U＝，因为水速越大，θ越大，则U越大。
答案 见解析
12．如图6－2－18所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内；A为电流表，最大量程为6 mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9 Ω；S为开关，已知RT在95 ℃时的阻值为150 Ω，在20 ℃时的阻值约为550 Ω。现要求在降温过程中测量在95～20 ℃之间的多个温度下RT的阻值。
图6－2－18
(1)在图中画出连线，完成实验原理电路图；
(2)完成下列实验步骤中的填空：
a．依照实验原理电路图连线
b．调节控温容器M内的温度，使得RT的温度为95 ℃
c．把电阻箱调到适当的阻值，以保证仪器安全
d．闭合开关，调节电阻箱，记录电流表的示数I0，并记录________
e．将RT的温度降为T1(20 ℃f．温度为T1时热敏电阻的电阻值RT1＝________
g．逐步降低T1的数值，直至20 ℃为止；在每一温度下重复步骤e、f
解析 (1)该实验中没有电压表，可以用等效替代法测热敏电阻阻值，改变电阻箱接入电路的阻值，保持电路电流不变，则电路总电阻不变，因此应把电源、电流表、热敏电阻、电阻箱、开关串联接入电路，实验电路图如图所示。
(2)d.调节电阻箱后应记录下电阻箱的读数R0
e．实验中改变RT温度后，应通过调节电阻箱来保持电路电流不变，并记下相应的电阻箱的读数R1
f．由闭合电路欧姆定律可得：温度为95 ℃时，E＝I0(r＋RA＋RT＋R0)
则E＝I0(r＋RA＋150 Ω＋R0)①
当RT的温度降为T1时，有：E＝I0(r＋RA＋RT1＋R1)
②
由①②解得：RT1＝R0＋150 Ω－R1。
答案 (1)见解析 (2)d.电阻箱的读数R0 e．仍为I0 电阻箱的读数R1 f．R0＋150 Ω－R1
课件38张PPT。第2节 传感器的应用[学习目标]
1.了解传感器在日常生活和生产中的应用。
2．了解传感器应用的一般模拟。
3．会设计简单的有关传感器应用的控制电路，提高分析解决问题的能力。一、传感器应用的一般模式二、传感器的应用实例
1．力传感器的应用——电子秤
常用的一种力传感器是由_________和_______组成的，应变片能够把物体______这个力学量转换为______这个电学量。
2．温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅
(1)电熨斗装有__________________传感器，这种传感器的作用是控制电路的______。 金属梁应变片形变电压双金属片温度通断(2)电饭锅中也应用了温度传感器，它的主要元件是_________________其常温下具有_________，能够被磁体吸引，但是温度上升到约________时，就失去了______，不能被磁体吸引，这个温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”。感温铁氧体铁磁性103 ℃铁磁性3．光传感器的应用——火灾报警器
烟雾散射式火灾报警器是利用烟雾对_____的散射来工作的。敏感元件为_______________。光光电三极管判断下列说法的正误。
1．通常的传感器可以直接用来进行自动控制。( )
2．传感器可以用来采集信息。( )
3．传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量。( )［自主思考］×√√4．力传感器中金属梁是敏感元件。( )
5．感温铁氧体的温度上升到“居里温度”时，就会失去铁磁性。( )
6．光电三极管在受到光照时呈高电阻状态。( )×√×1．传感器问题的分析思路
物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：考点一 传感器的应用分析(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．分析传感器问题要注意四点
(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及包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。 [例 1] (2018·宜春高二检测)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6－2－1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。图6－2－1 [思路引导]
(1)射向光敏电阻的光被挡住时，光敏电阻上光照减少，电阻值如何变化？
(2)电磁铁线圈中电流大小与电磁铁的磁性大小有何关系？[解析] 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1．(2018·北京高二检测)(多选)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［变式训练］图6－2－2A．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。
答案 BD1．电子秤的工作原理
如图6－2－3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。考点二 传感器的应用实例图6－2－32．电熨斗的应用
(1)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。
(2)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6－2－4所示：图6－2－4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，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，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。3．电饭锅的工作原理图6－2－5 (1)结构：如图6－2－5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。
(2)工作原理：电饭锅工作时，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，电饭锅内温度升高，当达到103 ℃时，感温磁体与磁体分离，带动触点分离，电路断开，不再加热，电饭锅停止工作。4．火灾报警器的工作原理
如图6－2－6所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是：图6－2－6带孔的罩子内装有发光二极管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。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。[例 2] 如图6－2－7所示，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，a、b端电压Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S接触，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在图6－2－7A．10 ℃
B．20 ℃
C．30 ℃
D．40 ℃[答案] C2．气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号输出，如图6－2－8所示，B为将可燃气体或有毒气体(CO，CH4)浓度转换成电信号的传感器，简称电子鼻，根据如图所示的材料，电源电压U＝220 V、排风扇M、继电器G、电池组A、控制开关S，请设计一个家用自动排烟电路，在图中完成连线。［变式训练］图6－2－8解析 电磁继电器起开关作用，所以电池组A、开关S、电子鼻B和电磁继电器(电磁铁部分)应组成一个电路，另一个是由排风扇和高压电源组成的电路。
答案 如图所示［课堂回顾 知识小结］本节结束
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