62 传感器的应用高中物理选修32学案Word下载.docx
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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“居里温度”
（2）自动断电原理：
用手按下开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到__103__℃时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开
测温仪
热敏电阻，金属热电阻，热电偶，红外线敏感元件等
敏感元件将__温度__转换成__电信号__，由指针式仪表或数字式仪表显示出来
3.光传感器的应用——火灾报警器
（1）组成：
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。
思考辨析
『判一判』
（1）当电子秤中的应变片的上表面拉伸时，其电阻变大。
（ √ ）
（2）电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁。
（ ×
）
（3）用电饭锅烧水，水烧开时能自动断电。
（4）空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，说明空调机内的红外传感器在起作用。
（5）热敏电阻可应用于温度测控装置中。
（6）利用红外线敏感元件可以实现无接触测温（ √ ）
『选一选』
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（ B ）
A．力传感器B．光传感器
C．温度传感器D．声音传感器
解析：
遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，故选项B正确，选项A、C、D错误。
『想一想』
电子警察（又称电子眼）利用自动化检测与测量技术捕获交通违法或交通事故，利用网络将采集的信息传回相关部门进行分析处理，并以此为证据对肇事者进行处罚，以减少事故发生。
与交警监管相比，电子警察对事故的判断更准确，捕捉更迅速。
请思考：
电子眼最基本的工作原理是什么呢？
电子眼采用感应线圈来感应路面上的汽车传来的压力，通过传感器将信号采集到中央处理器，送寄存器暂存（该数据在一个红灯周期内有效）。
在同一个时间间隔内（红灯周期内），如果同时产生两个脉冲信号，即视为“有效”，也就是汽车闯红灯被“电子警察”抓到了，只得接受处罚。
探究一 力传感器的应用——电子秤
S
1
如图所示，这是常用的一种力传感器，它是由金属梁和应变片组成的，应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成。
结合力传感器的特点，叙述它的工作原理。
提示：
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，应变片的阻值变化就越大。
如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下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。
应变片能把物体形变这个力学量，转换为电压这个电学量。
G
1．电子秤工作原理：
2．应用：
应变式传感器也常用于测量汽车载重、超市的电子秤以及测量汽车、卷扬机的牵引力等。
D
例1 如图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。
弾簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连。
若P1、P2间出现电压时，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：
（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。
解题指导：
此题涉及受力分析、平衡条件和欧姆定律的应用，要看懂电路图，了解电子秤的工作原理。
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：
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＝
〔对点训练1〕 （多选）（2019·
河南鹤壁一中高三质检）工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键性元件是拉力传感器。
拉力传感器的内部电路如图丙所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图像如图乙所示，已知料斗重1×
103N，没装料时Uba＝0，g取10m/s2。
下列说法中正确的是（ AC ）
A．R3的阻值为40kΩ
B．装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba的值逐渐变小
C．拉力越大应变片电阻阻值也越大，Uba的值也越大
D．应变片的作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量
电路中，当没装料时，Uba＝0，此时拉力等于料斗重，为1×
103N，故应变片电阻为R0＝20kΩ，根据串联电路电压关系，有
，解得R3＝40kΩ，选项A正确；
装料时，R0的阻值逐渐变大，b点电势升高，故Uba的值逐渐增大，选项B错误，选项C正确；
应变片作用是把拉力这个力学量转换为电阻这个电学量，选项D错误。
探究二 温度传感器的应用——电熨斗、电饭锅
2
如图所示为电熨斗的构造，其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属。
常温下，电熨斗的上、下触点应当是接触的还是分离的？
当温度过高时双金属片将怎样起作用？
常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热。
当温度过高时双金属片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀得厉害，双金属片向下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；
当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热。
温度传感器的工作原理
（1）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）①电饭锅中温度传感器为感温铁氧体。
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用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到103℃时，感温铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使触点开关断开。
例2 如图所示是电饭锅的结构图，试回答下列问题：
（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）煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？
（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？
这时电饭锅会自动地发生哪些动作？
（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？
（1）开始煮饭时压下手动开关，使永磁体和感温磁体吸合，以保持触点接触，接通加热电路；
手松开后这个按钮不会恢复图示状态，因为永磁体与感温磁体相互吸引，弹簧的弹力不能使永磁体恢复原状态。
（2）水沸腾后锅内的温度应大致保持在100℃，因为水的沸点是100℃，此时水分未被米吸收完，锅内水分较充足，所以能保持一段时间。
（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度会由100℃升到103℃，达到居里点，此时开关按钮会自动弹起，断开加热电路，进入保温状态，因为锅底温度达到103℃时，感温磁体失去磁性，永磁体再不能与它吸合，在弹簧的作用下，开关按钮恢复初始状态。
（4）如果用电饭锅烧水，水沸腾后不能自动断电，因为水沸腾的温度是100℃，而不能达到103℃（居里点），水将一直沸腾直到烧干。
〔对点训练2〕电熨斗能自动控制温度，在熨烫不同的织物时，设定的温度可以不同，如图所示为电熨斗的结构图，电熨斗内部装有双金属片，双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属，若把熨烫的棉麻衣物换成丝绸衣物，则如何调节调温旋钮（ B ）
织物材料
尼龙
合成纤维
丝绸
羊毛
棉麻
熨烫温度
低―→高
A．向下 B．向上
C．保持原状D．不能确定
由题意知，电熨斗由熨烫的棉麻衣物换成丝绸衣物，就是要求电熨斗在低温易断开，因双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属，使双金属片向下弯曲，上下触点脱离，电路断开，因此，应向上调节调温旋钮，双金属片受热时，易使触点分离。
所以选B。
探究三 光传感器的应用——火灾报警器
3
如图所示，火灾报警器的内部结构，它由发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板组成，请简述它的工作原理。
正常情况下，光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，当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。
光传感器的原理及应用
（1）光传感器能把光信号转化为电信号。
（2）最常见的光传感器有光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等。
（3）典型的应用，如鼠标、火灾报警器、光敏自动计数器等。
例3 如图
（1）所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图
（2）所示，试根据这一特性用图（3）中给定的器材设计一个自动光控电路。
光传感器是重要的传感器之一，人们运用硫化镉对可见光敏感的特性，制作路灯自动开关、光照自动调节装置等自控设备，利用某些半导体材料对红外光敏感的特性，制作遥控设备，广泛地应用在电视机、录像机、空调、影碟机等家用电器的操作中，由于对红外光敏感的元件对可见光不敏感，用它制作的装置不受可见光影响，因此它的应用十分广泛。
由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。
根据题意设计一个路灯自动控制电路如图所示。
控制过程是：
当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合使两个常闭触点断开，当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作。
〔对点训练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发出的光呈现高电阻状态，发生火灾时，下列说法正确的是（ C ）
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．发生火灾时，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．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，电阻变小，发出警报
D．以上说法均不正确
由报警器的原理可知，发生火灾时烟雾进入罩内，使光发生散射，部分光线照在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。
易错点：
对实际问题考虑不全面而出错
案例：
2016年10月17日“神舟十一号”载人飞船，准确进入预定轨道，一中学生为发射的载人飞船设计了一个可测定竖直方向加速度的装置，其原理可简化为如图所示。
连接在竖直弹簧上的重物与滑动变阻器的滑动触头连接，该装置在地面上静止时其电压表的指针指在表盘中央的零刻度处，在零刻度的两侧分别标上对应的正、负加速度值。
关于这个装置在“神舟十一号”载人飞船发射、运行和回收过程中示数的判断正确的是（ A ）
A．飞船在竖直加速升空的过程中，如果电压表的示数为正，则飞船在竖直减速返回地面的过程中，电压表的示数仍为正
B．飞船在竖直加速升空的过程中，如果电压表的示数为正，则飞船在竖直减速返回地面的过程中，电压表的示数为负
C．飞船在圆轨道上运行时，电压表的示数为零
D．飞船在圆轨道上运行时，电压表示数所对应的加速度大小应约为9.8m/s2
易错分析：
本题易错选C，认为飞船在圆轨道上运行时，处于完全失重状态，a＝0，所以电压表示数为零。
正确解答：
该装置在地面上静止时，kx＝mg，指针指在表盘中央的零刻度处；
飞船在加速上升的过程中，kx>
mg，滑动头下移，此时，电压表的示数为正；
飞船在竖直减速返回地面的过程中，加速度方向向上，此时电压表示数仍为正，故A对、B错；
飞船在圆轨道上运行时，飞船中的物体处于完全失重状态，a＝g，弹簧恢复原长，电压表示数不为零，但“神州十一号”在圆轨道上运行时a＝
，a小于地面加速度9.8m/s2。
C、D错。
1．（2019·
河南省濮阳市高二上学期期末）下列说法正确的是（ C ）
A．电饭锅中的温度传感器的主要元件是热敏电阻
B．氧化铁在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性
C．用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位
D．电饭锅烧水，水开时能自动断电
电饭锅应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，故A错误；
在常温下具有铁磁性，但温度升高到103℃时便失去了铁磁性，不能被磁铁吸引，这个温度称为这种材料的“居里温度”或“居里点”，故B错误；
用电饭锅煮饭时，若温控开关断电后，它不能自动复位，故C正确；
水的沸点为100℃，因温度无法达到居里点，故可知水不能自动断电，故D错误。
2．（多选）（2019·
四川绵阳中学高二月考）电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力。
感应线是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，压力越大，电压越大，压电薄膜与电容器C、电阻R组成图甲所示的回路。
红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两脉冲电流，如图乙所示，即表现为“闯红灯”，电子眼拍照，则红灯亮时（ BD ）
A．车轮停在感应线上时，电阻R上有恒定电流
B．车轮经过感应线的过程中，电容器先充电后放电
C．车轮经过感应线的过程中，电阻R上的电流先增加后减小
D．汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，仍会被电子眼拍照
车轮停在感应线上时，压力不变，则电压不变，电容器不充电，也不放电，电阻R上没有电流，故A错误；
由乙图可知，当车轮经过时电流先增大后减小，然后再反向增大减小，电容器先充电后放电，故B正确，C错误；
若汽车前轮越过感应线，又倒回线内，则前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，电子眼仍可拍照，故D正确。
3．（2019·
河北省唐县第一中学高二下学期期中）图为用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图，要求是：
正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，则图中的甲、乙、丙分别是（ B ）
A．小电铃、热敏电阻、绿灯泡B．热敏电阻、小电铃、绿灯泡
C．绿灯泡、小电铃、热敏电阻D．热敏电阻、绿灯泡、小电铃
根据要求，在常温下热敏电阻甲阻值较大，电磁铁磁性较弱，不能将衔铁吸下，此时绿灯所在电路接通，绿灯亮，所以丙为是绿灯；
温度升高，热敏电阻阻值较小，控制电路电流增大时，电磁铁磁性增大，将衔铁吸下，丙电路断开，乙电路接通电铃响，所以乙为小电铃；
由以上的分析可知，甲是半导体热敏电阻。
故选：
B。
[练案13]
一、选择题（1～4题为单选题，5、6题为多选题）
山东省日照市高二上学期期末）驱动中国2018年6月19日消息，京东的智慧物流有20余台配送机器人上阵，开启了全球首次全场景常态化配送运营。
该配送机器人能够识别红绿灯信号、规避道路障碍和来往车辆、主动礼让行人。
机器人主动礼让行人，是利用了（ C ）
A．力传感器 B．光传感器
C．温度传感器D．声传感器
人体是有温度的，机器人主动礼让行人就是利用了温度传感器的原理，故C正确，ABD错误。
2．光电式感烟探测器（简称烟感器）由光源、光电元件和电子开关组成。
利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。
该报警器利用的传感器是（ D ）
A．力传感器 B．声传感器
C．位移传感器D．光传感器
该报警器利用的是光传感器。
黑龙江大庆实验中学高二下学期月考）下列关于传感器的说法中正确的是（ B ）
A．电子秤应用的是光传感器
B．电饭锅通过温度传感器实现温度的自动控制
C．干簧管是一种能够感知电场的传感器
D．霍尔元件能够把电学量转换为磁学量
电子秤应用的是压力传感器，选项A错误；
电饭锅通过温度传感器实现温度的自动控制，选项B正确；
干簧管是一种能够感知磁场的传感器，选项C错误；
霍尔元件能够把磁学量转换为电学量，故D错误。
4．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（ D ）
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
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。
5．（2019·
河北省邢台市第八中学高二下学期期中）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（ BC ）
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
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。
6．为锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图所示是原理图，轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起（弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计），弹簧劲度系数为100N/cm。
定值电阻R0＝5Ω，ab是一根长为5cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25Ω，电源输出电压恒为U＝3V，理想电流表的量程为0～0.6A。
当拉环不受力时，滑片P处于a端。
下列关于这个电路的说法正确的是（不计电源内阻）（ ABC ）
A．小明在电路中连入R0的目的是保护电路
B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1A
C．当拉力为400N时，电流表指针指在0.3A处
D．当拉力为400N时，电流表指针指在0.5A处
若电路无电阻R0，且金属滑片P在b端时，回路短路损坏电源，R0的存在使电路不出现短路，因此A正确。
当拉环不受力时，滑片P在a端，由欧姆定律得，I＝
＝0.1A，故B正确。
拉力为400N时，由F＝kΔx，则Δx＝4cm，对应的电阻为RaP＝20Ω，R1接入电路的电阻RPb＝5Ω，由闭合电路欧姆定律得，I＝
＝0.3A，故D错，C正确。
二、非选择题
7．如图（a）是汽车过桥时对不同类型桥面压力变化的实验。
采用DIS方法对模型进行测量，其结果如图（b）中电脑屏幕所示。
（1）图（a）中的传感器为__力电__传感器；
（2）图（a）中甲、乙、丙分别为三种不同类型的桥面。
对于凸形桥甲，其相对应的压力图线应是图（b）电脑屏幕上的____c____（填a、b或c）；
（3）如增大小球在斜槽上的高度，则在图（b）中大致画出小球通过凸形桥甲时的压力图线。
（3）图线与c相比较，最低点更低一点（图略）
该传感器把力信号转化为电信号，属于力电传感器；
小球经过凸形桥甲的最高点时，压力小于重量，其相对应的压力图线应是电脑屏幕上的c；
增大小球在斜槽上的高度，小球经凸形桥甲的最高点时压力更小，其图线与c相比较，最低点更低一点。
8．如图所示为一监测锅炉内的压力大小的报警器，在压力小于某个安全值时，绿灯常亮。
当压力超过安全值时，红灯亮、电铃响而报警。
试说明其工作原理。
当锅炉内压力超过安全值时，活塞推动金属片使1、2触点连接，电磁铁通电把衔铁吸下来，使3、5点接通，红灯亮，铃响，从而起到报警作用。
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