高中物理第4章传感器与现代社会4信息时代离不开传感器课件-76张 76页

　 4.4 　信息时代离不开传感器 一、随处可见的传感器 1. 红外测温仪 : 红外测温仪是将 ___________ 转换成电 信号的传感装置 , 利用它可以快速非接触测温度。 2. 数码相机 : 数码相机借助敏感元件 —— 电荷耦合器件 (CCD), 将 _______ 转换成模拟电信号 , 模拟电信号再通 过 A/D 转换器可转换为 _____ 电信号 , 以便于计算机处 理。 红外辐射波 光信号 数字 3. 酒精浓度测试仪 : 交通警察使用的酒精浓度测试仪是 将 _________ 转换成电信号的传感装置 , 用它检测驾驶 员是否酒后驾车。 4. 蔬菜种植大棚中的传感器 : 在自动控制的蔬菜种植大 棚中 , 要靠 _______ 感知作物生长所需的各种信息。 酒精含量 传感器 (1) 要控制大棚内光照强度 , 需要利用光敏元件 —— _________ 将 _______ 转换为电信号。 (2) 要控制大棚内温度 , 需要利用温度传感器 , 将 _____ 信号转换为电信号。 (3) 要控制空气湿度、土壤湿度 , 需要利用 _________ ___ 。 (4) 要控制空气中二氧化碳浓度 , 需利用气体传感器 , 将 _____________ 信号转化为电信号。 光敏电阻 光信号 温度 湿度传感 器 二氧化碳浓度 【 生活链接 】 在机场、车站、码头等人员集散地都设有体温检测点 , 为什么测体温时一般不用水银温度计 , 而用红外线测温仪 ? 提示 : 用水银温度计 , 测温时间长 , 同时又容易引起交叉感染 , 用红外线测温仪测温速度快 , 也不需要与人体直接接触 , 又避免了交叉感染 , 因此用红外线测温仪较好。 二、信息社会离不开传感器 1. 智能传感器 : 所谓智能传感器就是利用传感器获取 _____, 并用电子计算机进行处理。传感器与计算机构 成的整体就是 _____ 传感器。 信息 智能 2. 遥测与遥感 : (1) 遥感遥测的定义 : 利用遥感飞机、航天实验室、地球卫星等飞行器上配置的多光谱摄影机、多光谱扫描仪、红外扫描仪、面阵列固体扫描仪等 _______, 对 _______ 目标物进行探测。 传感器 远距离 (2) 遥感遥测的原理 : 通过 ___________ 对观测目标产生 的电磁波、热辐射进行远距离收集、转换 , 用计算机处 理、识别 , 得出结论。 (3) 用途 : 地球资源勘测、环境监控、 _________ 、军事 侦察等。 遥感传感器 气象预报 一　传感器的应用分析 【 典例 】 为了节能和环保 , 一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制 , 光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件 ( 照度可以反映光的强弱 , 光越强照度越大 , 照度单位为 lx) 。某光敏电阻 R P 在不同照度下的阻值如下表 : 照度 (lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻 (kΩ) 75 40 28 23 20 18 (1) 根据表中数据 , 请在图甲给定所示的坐标系中描绘出光敏电阻值随照度变化的曲线 , 并说明阻值随照度变化的特点。 (2) 如图乙所示 , 当 1 、 2 两端所加电压上升至 2 V 时 , 控制开关自动启动照明系统 . 请利用下列器材设计一个简单电路。给 1 、 2 两端提供电压 , 要求当天色渐暗照度降低至 1.0 lx 时启动照明系统 , 在虚线框内完成电路原理图。 ( 不考虑控制开关对所设计电路的影响 ) 提供的器材如下 : 光敏电阻 R P ( 符号 , 阻值见上表 ); 直流电源 E( 电动势 3 V, 内阻不计 ); 定值电阻 :R 1 =10 kΩ,R 2 =20 kΩ,R 3 =40 kΩ( 限选其中之一并在图中标出 ); 开关 S 及导线若干。 【 解析 】 (1) 根据表中的数据 , 在坐标纸上描点连线 , 得到如图所示的变化曲线。 阻值随照度变化的特点 : 光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。 (2) 因天色渐暗照度降低至 1.0 lx 时 启动照明系统 , 此时光敏电阻阻值为 20 kΩ, 两端电压为 2 V, 电源电动势 为 3 V, 故应加上一个分压电阻 , 分压 电阻阻值为 10 kΩ, 即选用 R 1 ; 此电路 的原理图如图所示。 答案 : (1) 光敏电阻的阻值随光照变化的曲线见解析 光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小 (2) 电路原理图见解析图 【 核心归纳 】 1. 传感器的应用步骤 : (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. 分析传感器应注意的四点问题 : (1) 检测量分析 : 要明确传感器所检测的量 , 如力、热、光、磁、声等。 (2) 敏感元件分析 : 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) 执行机构分析 : 传感器的应用 , 不仅包含非电学量如何向电学量转换的过程 , 还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。 ①以力传感器为例 : 传感器感受力的信息 ( 如大小、方向是否变化等 ) 后转换为电压、电流、电阻等电学量 , 然后经过放大 , 传输到执行机构进行某种操作 ( 如借助继电器控制电路通断 , 借助仪表进行显示等 ) 。 ② 以光传感器为例 : 光传感器感受光的信息 ( 如光的强弱、颜色等 ), 通过敏感元件 ( 如光敏电阻、光电池等 ) 将光的信息转换为电阻、电流等电学量 , 然后经过放大 , 传输到执行机构后执行某种操作。 3. 传感器应用的分析方法 : (1) 首先要分清哪是主电路部分 , 哪是控制电路部分 , 例如典例中的电炉丝加热电路就是主电路 , 继电器电路就是控制电路。 (2) 联系主电路和控制电路的关键点就是传感器中的敏感元件。敏感元件感知主电路所处的状态 , 做出相应的反应 , 促使控制电路工作 , 保证主电路能工作在相应的设定状态之下。 【 过关训练 】 　　 1. 如图甲所示是一火警报警装置的一部分电路 , 其中 R 2 是半导体热敏电阻 ( 传感器 ), 它的电阻 R 随温度 t 变化关系如图乙所示 , 该电路的输出端 a 、 b 接报警器 , 当传感器所在处出现火情时 , 通过电流表的电流 I 和 a 、 b 两端电压 U 与出现火情前相比 A.I 变大 ,U 变大 B.I 变小 ,U 变小 C.I 变小 ,U 变大 D.I 变大 ,U 变小 【 解析 】 选 D 。当传感器所在处出现火情时 , 温度升高 , 即 R 2 的阻值减小 , 故外电阻减小 , 干路电流增大 , 内电压、 R 4 两端的电压均增大 , 故 a 、 b 两端电压减小 ; 并联电路的电压减小 , 通过 R 3 的电流减小 , 而总电流增大 , 所以 R 2 上通过的电流增大 , 故 D 选项正确。 2. 如图所示 , 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 R 1 =20 kΩ 、 R 2 = 10 kΩ 、 R 3 =40 kΩ,R t 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 U ab ≤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 U ab >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 ( 　　 ) A.10 ℃ B.20 ℃ C.35 ℃ D.45 ℃ 【 解析 】 选 C 。通过审题可知 U ab =0 是一个电压的临界点 , 对应着开关 S 的动作 , 而开关的动作对应着温度的上升 或下降。由电路分析可知 , 在 R 1 、 R 2 、 R 3 给定的条件下 , 热敏电阻 R t 的阻值决定了 U ab 的正负。设电源负极的电 势能为零 , 则 φ a = U, φ b = U, 其中 U 为电源 的路端电压 , 令 φ a = φ b , 即 U ab =0, 则可得 = , 代入 数据得 R t =20 kΩ, 查表得对应的温度为 35 ℃, 故本题选 项 C 正确。 【 补偿训练 】 1.( 多选 ) 压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小 , 某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置 , 其装置示意图如图所示 , 将压敏电阻平放在电梯内 , 受压面朝上 , 在上面放一物体 m, 电梯静止时电流表示数为 I 0 , 电梯在不同的运动过程中 , 电流表的示数分别如图甲、乙、丙、丁所示 , 下列判断中正确的是 ( 　　 ) A. 甲图表示电梯可能做匀速直线运动 B. 乙图表示电梯可能做匀加速上升运动 C. 丙图表示电梯可能做匀加速上升运动 D. 丁图表示电梯可能做匀减速下降运动 【 解析 】 选 A 、 B 。甲图中电流表示数和静止时相等 , 故可能做匀速直线运动 ,A 正确。乙图中电流表示数为 2I 0 , 且保持不变 , 故压敏电阻所受压力增大 , 电阻变小 , 物体超重 , 电梯可能匀加速上升 ,B 正确。丙、丁图中电流表的示数随时间变化 , 故电梯的加速度是变化的 , 不可能是匀加速或匀减速 ,C 、 D 错误。 2. 某小型电磁继电器 , 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 为四个接线柱如图所示。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 ( 　　 ) A.A 与 B 接信号电压 ,C 与 D 跟被控电路串联 B.A 与 B 接信号电压 ,C 与 D 跟被控电路并联 C.C 与 D 接信号电压 ,A 与 B 跟被控电路串联 D.C 与 D 接信号电压 ,A 与 B 跟被控电路并联 【 解析 】 选 A 。 A 、 B 接电磁继电器的线圈 , 所以 A 、 B 应接信号电压、线圈电流随信号电压变化使电磁继电器相吸或释放 , 从而使 C 、 D 接通或断开 , 进而起到控制作用。故正确选项为 A 。 二　传感器的应用实例 【 典例 】 传感器是把非电学量 ( 如速度、温度、压力等 ) 的变化转换成电学量的变化的一种元件 , 在自动控制中 有着相当广泛的应用。有一种测量人体重的电子秤 , 其 测量部分的原理图如图中的虚线框所示 , 它主要由压力 传感器 R( 电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电 阻 ) 和显示体重大小的仪表 ( 实质是理想电流表 ) 组 成。压力传感器表面能承受的最大压强为 1×10 7 Pa, 且已知压力传感器 R 的电阻与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计 , 接通电源后 , 压力传感器两端的电压恒为 4.8 V,g 取 10 m/s 2 。请作答 : 压力 F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 电压 R/Ω 300 270 240 210 180 150 120 (1) 该秤零点 ( 即踏板空载时 ) 的刻度线应标在电流表刻 度盘 ________A 处。  (2) 如果某人站在该秤踏板上 , 电流表刻度盘的示数为 20 mA, 这个人的质量是 ________kg 。  【 解析 】 (1) 由题表格知 , 踏板空载时 , 压力传感器的电 阻 R=300 Ω, 此时 中电流 I= = A=1.6×10 -2 A 。 (2) 当电流 I′=20 mA=2×10 -2 A 时 , 压力传感器的电阻 R′= = Ω=240 Ω, 由表格可知 , 这个人受到的重力为 500 N, 此人质量为 50 kg 。 答案 : (1)1.6×10 -2 　 (2)50 【 核心归纳 】 1. 力传感器的应用 —— 电子秤 : (1) 组成 : 由金属梁和应变片组成。 (2) 工作原理。 ①如图所示 , 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。 ② 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。 2. 温度传感器的应用 : (1) 电熨斗。 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 , 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 , 上层金属膨胀大 , 下层金属膨胀小 , 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。 (2) 电饭锅。 ①结构 : 如图所示 , 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 , 感温磁体与永磁体分离 , 带动触点分离 , 电路断开 , 不再加热 , 电饭锅停止工作。 3. 光传感器的应用 —— 火灾报警器 : 如图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 : 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。 【 过关训练 】 1. 如图所示 ,R 1 为定值电阻 ,R 2 为负温度系数的热敏电阻 ,L 为小灯泡 , 当温度降低时 ( 　　 ) A.R 1 两端的电压增大 B. 电流表的示数增大 C. 小灯泡的亮度变强 D. 小灯泡的亮度变弱 【 解析 】 选 C 。 R 2 与灯 L 并联后与 R 1 串联 , 与电源构成闭合电路 , 当温度降低时 , 负温度系数热敏电阻 R 2 的阻值增大 , 外电路电阻增大 , 电流表读数变小 ,R 1 两端电压减小 , 灯 L 两端电压增大 , 灯泡亮度变强 , 故 C 正确 , 选项 A 、 B 、 D 错误。 2.( 多选 ) 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. 电容变大 　 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 】 选 A 、 C 。当声波使膜片 M 向右运动时 , 电容器极板间距减小 , 电容变大 , 电荷量 Q=UC 变大 , 电源要继续给电容器充电 , 所以导线 AB 中有向左的电流 , 故选项 A 、 C 正确。 【 补偿训练 】 1.( 多选 ) 如图为光敏电阻自动计数器的示意图 , 其中 R 1 为光敏电阻 ,R 2 为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是 ( 　　 ) A. 当有光照射 R 1 时 , 信号处理系统获得高电压 B. 当有光照射 R 2 时 , 信号处理系统获得低电压 C. 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D. 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 【 解析 】 选 A 、 C 。光敏电阻在被光照射时阻值发生变化 , 这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻阻值大小这个电学量。光敏电阻的阻值随光照的增强而减小。光电计数器工作原理 : 当有物体挡住射到光敏电阻 R 1 的光照时 ,R 1 电阻阻值增大 , 电路中电流减小 ,R 2 两端电压降低 , 信号处理系统得到低电压 , 计数器每由高电压转到低电压 , 就计一个数 , 从而达到自动计数的目的。 2. 如图所示 , 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。 【 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 R L =ρ ③ R x =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 【 拓展例题 】 考查内容 : 温控电路的分析 【 典例 】 如图甲所示为半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线 , 图乙为用此热敏电阻 R T 和继电器设计的温控电路 , 设继电器的线圈电阻为 R x =50 Ω, 当继电器线圈中的电流 I C 大于或等于 20 mA 时 , 继电器的衔铁被吸合。左侧电源电动势为 6 V, 内阻可不计 , 温度满足什么条件时 , 电路右侧的小灯泡会发光 ? 【 解析 】 热敏电阻与继电器串联 , 若使电流不小于 I C =20 mA, 则总电阻不大于 R 总 = =300 Ω 。 由于 R 总 =R T +R x , 则 R T 不大于 250 Ω 。 由甲图可看出 , 当 R T =250 Ω 时 , 温度 t=50 ℃, 即温度不小于 50 ℃ 。 答案 : 温度不小于 50 ℃ 时 , 电路右侧的小灯泡会发光。 物理思想方法——极限思维法求解传感器问题 【案例示范】 ( 多选 ) 如图所示的电路中 , 电源两端的电压恒定 ,L 为小灯泡 ,R 为光敏电阻 ,LED 为发光二极管 ( 电流越大 , 发出的光越强 ), 且 R 与 LED 间距不变 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 当滑动触头 P 向左移动时 ,L 消耗的功率减小 B. 当滑动触头 P 向左移动时 ,L 消耗的功率增大 C. 当滑动触头 P 向右移动时 ,L 消耗的功率减小 D. 无论怎样移动触头 P,L 消耗的功率都不变 【 解析 】 选 B 、 C 。滑动触头 P, 向左移动时 , 滑动变阻器连入电路的电阻单调减小 , 引起电路中各量的变化也是单调的 , 设滑动触头到达最左端 , 则 R P 被短路 ( 极值法 ) 。流过发光二极管的电流增大 , 从而发光增强 , 使光敏电阻 R 阻值减小 , 而电源两端电压恒定 , 故通过灯泡的电流增大 , 使灯泡 L 消耗的功率增大 ,A 错误 ,B 正确。当 滑动触头 P 向右移动时 , 滑动变阻器连入电路的阻值单调增大 , 设滑动触头到达最右端 , 则 R P 最大 ( 设为无穷大 ) 。流过发光二极管的电流减小为零 , 从而发光二极管不发光 , 光敏电阻 R 阻值增大 , 流过灯泡的电流减小 , 灯泡 L 消耗的功率减小 ,C 正确 ,D 错误。 【 方法技巧 】 极限思维法的应用技巧 (1) 应用极限思维法时 , 特别要注意所选取的某段物理过程研究的物理量的变化应是单调的 , 如增函数或减函数。 (2) 在所选的物理过程中 , 如果既包含有增函数 , 又包含有减函数的关系 , 则不能应用极限法求解。 (3) 解题时 , 一定要先判定物理量间的变化关系是否为单调变化 , 再决定能否用极限法求解。 (4) 若物理量间的变化关系为单调变化 , 可假设某种变化的极端情况 — 极大 ( 如无穷大 ) 或极小 ( 如零 ), 从而得出结论或作出判断。 【 补偿训练 】 ( 多选）如图所示的电路中 , 当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时 , 电流表示数增大 , 则说明 ( 　　 ) A. 在温度越高时 , 热敏电阻阻值越大 B. 在温度越高时 , 热敏电阻阻值越小 C. 半导体材料温度升高时 , 导电性能变差 D. 半导体材料温度升高时 , 导电性能变好 【 解析 】 选 B 、 D 。电流表的示数增大 , 说明电路中的电流增大 , 电阻减小 , 所以这个热敏电阻的电阻率是随温度的升高而降低的 ; 电阻率减小 , 导电性能变好 , 故选项 B 、 D 正确。