資源簡介

第二節(jié)　傳感器的應用
第三節(jié)　用傳感器制作自動控制裝置
[學習目標]
核心素養(yǎng) 學習目標
科學態(tài)度與責任 列舉傳感器在日常生活中的應用；列舉傳感器在農業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)中的應用；了解傳感器在航空航天事業(yè)中的應用
科學思維 理解常用傳感器的工作原理，會分析常見傳感器問題
科學態(tài)度與責任 通過利用傳感器制作自動控制裝置的過程，培養(yǎng)動手能力和解決問題的能力
知識點一　生活中的傳感器
1．溫度傳感器的應用。
電飯煲、電冰箱、微波爐、空調機、消毒碗柜等與溫度相關的家用電器。
2．紅外線控制器的應用。
自動門、家電遙控器、生命探測儀、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器等。
3．光敏傳感器的應用：照相機中。
4．壓力傳感器的應用：電子秤中。
知識點二　傳感器在工、農業(yè)生產(chǎn)和航天中的應用
1．農業(yè)生產(chǎn)中的傳感器。
無人管理的自動灌溉系統(tǒng)利用了濕度傳感器；自動化溫室種植中，溫室的自動控溫就是在溫度傳感器的幫助下實現(xiàn)的；現(xiàn)代糧庫采用了溫度傳感器和濕度傳感器。
2．工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器。
安全生產(chǎn)中，如將一種埋入式光纖傳感器安置在大橋或水壩中，隨時可以監(jiān)控大橋和水壩的裂痕等安全隱患；在自動控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機床中的位移測量裝置就是利用高精度位移傳感器(如光柵傳感器)對位移測量，從而實現(xiàn)精密加工。
3．航天航空中的傳感器。
飛機保持一定飛行高度，當飛機高度變化時，大氣數(shù)據(jù)計算機自動發(fā)出與給定高度的差值信號，并通過自動駕駛儀操縱升降舵，使飛機恢復給定高度；在運載火箭、載人飛船中，應用了傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用；對宇航員的各種生理狀態(tài)的測量有生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等。
1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)洗衣機的自動控制裝置利用了壓力傳感器。 (√)
(2)自動門利用了紅外線傳感器。 (√)
(3)指紋識別器是利用壓力傳感器。 (×)
(4)無人管理的自動灌溉系統(tǒng)，用到了溫度傳感器。 (×)
(5)位移測量裝置用到了位移傳感器。 (√)
2．電子秤使用的傳感器是(　　)
A．超聲波傳感器 B．溫度傳感器
C．壓力傳感器 D．紅外線傳感器
C　[電子秤通過感知物體對它的壓力，將其轉換為電信號，并由儀表顯示，來測量物體質量，所以它感知的是壓力，使用了壓力傳感器，故C選項正確。]
3．類人型機器人裝有作為眼睛的“傳感器”，猶如大腦的“控制器”，以及可以行走的“執(zhí)行器”，在它碰到障礙物前會自動避讓并及時轉彎。下列有關該機器人“眼睛”的說法中正確的是(　　)
A．是力傳感器 B．是光傳感器
C．是溫度傳感器 D．是聲音傳感器
B　[遇到障礙物會繞開，說明它是光傳感器，B正確，A、C、D錯誤。]
考點1　傳感器的應用實例
日光燈的啟動器(結構如圖所示)也可看成是一個熱敏傳感裝置，它的熱敏功能器是雙金屬片，你能說出啟動器的工作原理嗎？
[提示]　日光燈啟動器內有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。開關閉合后，啟動器兩極之間有電壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱量使U形動觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸片觸點，電路接通；溫度降低時，U形動觸片向里收縮，離開觸點，電路斷開。
1．力傳感器的應用——電子秤。
(1)構成：電子秤的測力裝置是力傳感器，常用的一種力傳感器由一個金屬梁和兩個應變片組成。如圖所示。
(2)工作原理：在金屬梁沒有受力的情況下，金屬梁處于水平狀態(tài)，梁的上下應變片的長度不變且相等，兩應變片的電阻大小也相等，當給金屬梁施加豎直向下的力時，金屬梁會向下彎曲，使得金屬梁上面的應變片被拉長，電阻變大，兩端電壓也變大，而下邊的應變片被擠壓收縮，電阻變小，兩端的電壓也減小，使得兩應變片的兩端電壓值不相等，存在差值，控制電路就通過這個差值，經(jīng)過放大電路將差值信號放大，再在顯示器上顯示出數(shù)字，即力F的大小。
(3)應用：力傳感器常用于測量汽車載重(如圖所示)，以及商店超市的電子秤。
2．溫度傳感器的應用。
(1)電熨斗。
①溫度傳感器：由半導體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把溫度信號轉換為電信號進行自動控制。
②電熨斗的自動控溫原理：其內部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖所示：
常溫下，上下觸點應是接觸的，當溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，則雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電源停止加熱，溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進行，起到自動控制溫度的作用。
(2)電飯鍋。
①結構：如圖所示，它的主要元件感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結而成的。它的特點是：常溫下具有磁性，能被磁體吸引，但是溫度上升到約103 ℃時，就失去了磁性，不能被磁體吸引了。
②工作原理：電飯鍋工作時，按下開關按鈕，感溫磁體與永磁體接觸，兩個接線螺釘通過觸點相連，電路接通，開始工作，電飯鍋內溫度升高，當達到103 ℃時，感溫磁體與永磁體分離，帶動觸點分離，電路斷開，不再加熱，電飯鍋停止工作。
3．光傳感器的應用——火災報警器。
如圖所示為利用煙霧對光的散射來工作的一種火災報警器，其工作原理是：
帶孔的罩子內裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板。平時，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。煙霧進入罩內后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小。與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報。
【典例1】　如圖甲所示為在溫度為10 ℃左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內的電阻R1＝20 kΩ、R2＝10 kΩ、R3＝40 kΩ，RT為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示，a、b端電壓Uab≤0時，電壓鑒別器會令開關S接通，恒溫箱內的電熱絲發(fā)熱，使箱內溫度升高；當a、b端電壓Uab>0時，電壓鑒別器會令開關S斷開，停止加熱，則恒溫箱內的溫度可保持在(　　)
甲　　　　　　　　　乙
A．10 ℃　　　B．20 ℃　　　C．30 ℃　　　D．45 ℃
C　[由題可知Uab＝0是一個電壓的臨界點，對應著開關S的動作，而開關的動作對應著溫度的上升或下降。由電路圖可知，在R1、R2、R3給定的條件下，熱敏電阻RT的阻值決定了Uab的正負。設電源負極的電勢為零，則φa＝U，φb＝U，其中U為電源的路端電壓，令φa＝φb，即Uab＝0，則可得＝，代入數(shù)據(jù)，得RT＝20 kΩ，查表得對應的溫度為30 ℃，C正確。]
本題利用熱敏電阻為傳感器，將溫度變化的信號轉化為電信號，結合電子線路來控制加熱電路。正確的電路分析、計算及理解熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的曲線，是解決本類習題的關鍵。
[跟進訓練]
1．(多選)電熨斗已經(jīng)走進千家萬戶，特別是服裝店更離不開它，現(xiàn)在的電熨斗具有自動控制溫度功能，可以通過雙金屬片來控制電路的通斷。如圖所示為電熨斗的結構示意圖，關于電熨斗的控制電路，下列說法正確的是(　　)
A．常溫下，電熨斗的上下觸點應該是分離的
B．圖中雙金屬片上層金屬片的膨脹系數(shù)大于下層金屬片的膨脹系數(shù)
C．熨燙棉麻衣物時，應旋轉調溫旋鈕，使升降螺釘上升
D．熨燙絲綢衣物時，應旋轉調溫旋鈕，使升降螺釘上升
BD　[常溫下，上下觸點接觸，溫度過高時，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點分開，起到調溫作用，A錯誤；當溫度升高時，雙金屬片向膨脹系數(shù)小的金屬片所在處發(fā)生彎曲，觸點斷開，故雙金屬片上層金屬片的膨脹系數(shù)大于下層金屬片的膨脹系數(shù)，B正確；熨燙棉麻衣物時，需要較高溫度，要調節(jié)調溫旋鈕，使升降螺釘下移，C錯誤；熨燙絲綢衣物時，應旋轉調溫旋鈕，使升降螺釘上升，D正確。]
2．(多選)如圖是某電子秤的原理圖，人只要站在踏板上，儀表G就能顯示人的體重，踏板下面的傳感器R實質是一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻，顯示體重的儀表G實質是理想電流表，如果不計踏板的質量，電阻R隨人的體重G變化的函數(shù)關系式為R＝a－kG(a、k是常量，G和R的單位分別是N和Ω)，下列說法正確的是(　　)
A．傳感器R是一個力電傳感器
B．閉合電路測量時，電路中的電流隨人的體重均勻變化
C．該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應標在電流表G刻度盤的零刻度處
D．如果要擴大電子秤的量程，滑動變阻器R′接入電路中的電阻應調大
AD　[根據(jù)閉合電路歐姆定律列式得到電流的表達式和量程的表達式進行討論即可。R是將壓力信號換成電信號的傳感器，即力電傳感器，故A正確；閉合電路測量時，電路中的電流為：I＝，顯然與人的體重不成線性關系，故B錯誤；當重力為零時，電流最小，但不為零，故C錯誤；由Ig＝可知，kGm＝a＋r＋R′－，因此變阻器接入電路中的電阻調大，可以測量的人的最大體重增大，故D正確。]
考點2　自動控制電路的實例分析
如圖所示，水箱水位自動報警器是如何工作的？
[提示]　正常生產(chǎn)時，水位較高。繼電器中的線圈有電流通過，銜鐵1被向下吸引，與觸頭2接觸，B燈亮。水位下降到一定高度后，繼電器中線圈沒有電流通過了，則銜鐵1與觸頭3接觸，A燈亮。
應用光敏電阻制作光控自動照明燈電路。
1．實驗目的。
了解與傳感器技術相關的物理知識，練習用傳感器制作自動控制裝置。
2．實驗器材。
二極管VD、晶閘管VS、光敏電阻RG、定值電阻R(7.5 MΩ)、燈泡L、多用電表、導線。
3．實驗原理。
由晶閘管VS與電燈L構成主回路，控制回路由R與RG組成的分壓器及二極管VD構成，如圖所示。
(1)當白天自然光線較強時，光敏電阻呈低電阻，與R分壓后使晶閘管VS的門電極處于低電平，VS關斷。
(2)當夜幕降臨時，照在RG上的自然光線減弱，RG呈高阻，使VS的門電極處于高電平，VS獲得正向觸發(fā)電壓而導通，燈L亮。
(3)改變R的阻值，即改變其與RG的分壓比，可調整電路的起控點。
4．二極管VD、晶閘管VS的特性。
(1)二極管：具有單向導電性。當給二極管加正向電壓時，它的阻值很小；當給二極管加反向電壓時，它的電阻很大。
(2)晶閘管VS：當晶閘管承受反向電壓時，不論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態(tài)。當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極承受正向電壓情況下晶閘管才導通。
5．實驗步驟。
(1)將多用電表旋鈕撥至R“×1 k”擋，調零后，測量電阻R的阻值，檢查R是否符合要求。
(2)將多用電表旋鈕撥至R“×1 k”擋，調零后，用兩表筆分別接二極管兩極，然后將兩表筆位置對調。若兩次測量結果一次較小，一次很大，則二極管性能良好。
(3)將多用電表旋鈕撥至R“×1 k”擋，紅表筆接晶閘管K極，黑表筆同時接通G、A極，在保持黑表筆不脫離A極狀態(tài)下斷開G極，指針指示幾十歐至一百歐，然后瞬時斷開A極再接通，若指針指示∞位置，則表明晶閘管良好。
(4)按照電路圖，將各元件焊接、安裝好。
(5)檢查各元件的連接，確保無誤。
(6)接通電源，觀察強光照射光敏電阻時和用黑紙包裹光敏電阻時燈泡L的狀態(tài)。
6．注意事項。
(1)安裝前，對所有器材進行測試，確保各元件性能良好后，再進行安裝。
(2)注意二極管、晶閘管各極正確裝入電路，不可錯接、反接。
【典例2】　光敏電阻在各種自動化裝置中有很多應用，其中有可用于路燈自動控制的開關。如圖所示為實驗所用器材，其中A為光敏電阻，B為電磁繼電器，C為電流放大器，D為路燈，請連成電路，達到日出路燈熄、日落路燈亮的效果，并說明此電路的工作原理。
[思路點撥]　這類自動控制裝置的基本流程為：外界因素→敏感元件→電流信號→放大電路→電磁繼電器→受控電路。
[解析]　電路如圖所示。
工作原理：白天，光照強，光敏電阻A阻值小，控制電路中電流大，電磁鐵磁力強，將銜鐵吸合，兩觸點分離，路燈電路不通，燈不亮；傍晚，日落后光照弱，光敏電阻A阻值大，控制電路中電流小，電磁鐵磁力弱，銜鐵向上移使兩觸點接觸，路燈電路接通，燈亮。
[答案]　見解析
設計自動控制電路時的思路
(1)根據(jù)題目給出的儀器和要求畫出控制電路和工作電路：控制電路由電源、開關、光敏電阻(或熱敏電阻等其他敏感元件)、電磁繼電器和導線等組成；工作電路由電源、用電器(燈泡、電熱絲或其他用電器)、導線等組成。這兩個電路相互獨立，又通過繼電器相關聯(lián)，繼電器實際上是工作電路的開關。
(2)分析自控電路的合理性：電路設計完成后，要對它的合理性進行分析，用光照射光敏電阻或給熱敏電阻加熱，檢查工作電路的接通和斷開是否符合實際要求。比如，自控路燈電路的設計要求是白天切斷工作電路，使路燈熄滅，晚上接通工作電路，使路燈點亮發(fā)光。
[跟進訓練]
3．如圖所示為自動水位報警器的示意圖，在水位低于B時，電磁鐵所在的控制電路部分斷路，________燈亮；當水位升高到B時，電磁鐵所在的控制電路部分接通，________燈亮。
[解析]　控制電路斷開時，繼電器彈片在彈簧作用下彈起，接通綠燈所在回路，綠燈亮，控制電路接通時，繼電器彈片在通電螺線管磁性作用下被吸下，接通紅燈所在回路，紅燈亮。
[答案]　綠　紅
1．有一種在光照或溫度升高時排氣扇都能啟動的自動控制裝置，下列說法正確的是　(　　)
A．兩個傳感器都是光電傳感器
B．兩個傳感器分別是光電傳感器和溫度傳感器
C．兩個傳感器可能分別是溫度傳感器、電容式傳感器
D．只有光照和溫度都適合時排氣扇才能工作
B　[題中提到有光照或溫度升高時排氣扇都能自動控制，由此可見兩個傳感器一個是光電傳感器，一個是溫度傳感器，而且排氣扇自動工作只需光照和溫度一個滿足條件即可，A、C、D錯誤，B正確。]
2．洗衣機中的水位控制裝置使用的是(　　)
A．光傳感器 B．壓力傳感器
C．濕度傳感器 D．溫度傳感器
B　[當洗衣機內水位升高時，傳感器的膜片受到的壓力變大，當達到設定值時，關閉進水電磁閥門。]
3．如圖所示是一個測定液面高度的傳感器，在導線芯的外面涂上一層絕緣物質，放在導電液中，導線芯和導電液構成電容器的兩極。把這兩極接入外電路，當外電路中的電流變化顯示電容值增大時，則導電液的深度h變化為(　　)
A．h增大 B．h減小
C．h不變 D．無法確定
A　[由題意知，導線芯和導電液構成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極。當液面高度發(fā)生變化時相當于兩極正對面積發(fā)生變化，會引起電容的變化。與平行板電容器類比可得，導電液體深度h增大時，導線芯和導電液正對面積增大，電容器的電容值變大。]
4．某儀器內部電路如圖所示，其中M是一個質量較大的金屬塊，左、右兩端分別與金屬絲制作的彈簧相連，并套在光滑水平細桿上，a、b、c三塊金屬片的間隙很小(b固定在金屬塊上)。當金屬塊處于平衡時兩根彈簧均處于原長狀態(tài)。若將該儀器固定在一輛汽車上，則下列說法正確的是(　　)
A．當汽車加速前進時，甲燈亮
B．當汽車加速前進時，乙燈亮
C．當汽車剎車時，乙燈亮
D．當汽車剎車時，甲、乙燈均不亮
B　[向右加速時，M向左移動，b與a接觸，乙燈亮；當剎車時，M向右移動，b與c接觸，甲燈亮。故選項B正確。]
5．如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關，手動閉合后，當此開關溫度達到居里點(103 ℃)時會自動斷開，S2是一個自動溫控開關，當溫度低于70 ℃時會自動閉合，溫度高于80 ℃時會自動斷開。紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈，分流電阻R1＝R2＝500 Ω，加熱電阻絲R3＝50 Ω，兩燈電阻不計。
(1)分析電飯煲的工作原理；
(2)簡要回答，如果不閉合開關S1，能將飯煮熟嗎？
(3)計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下電飯煲消耗的電功率之比。
[解析]　(1)電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時黃燈短路，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài)，加熱到80 ℃時，S2自動斷開，S1仍閉合；水燒開后，溫度升高到103 ℃時，開關S1自動斷開，這時飯已煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài)，由于散熱，待溫度降至70 ℃時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱，溫度達到80 ℃時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態(tài)。
(2)如果不閉合開關S1，則不能將飯煮熟，因為最高只能加熱到80 ℃。
(3)加熱時電飯煲消耗的電功率為P1＝，保溫時電飯煲消耗的電功率P2＝，兩式中R并＝＝ Ω。從而有P1∶P2＝＝＝12∶1。
[答案]　(1)見解析　(2)不能　(3)12∶1

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