1、第二节 传感器的应用第六章 传感器学习目标明目标 知重点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式.3.会分析简单的有关传感器应用的控制电路.第六章 传感器一、传感器应用的一般模式传感器放大转换电路执行机构显示器（指针式电表、数字屏）计算机系统二、力传感器的应用电子秤1组成：电子秤使用的测力装置是力传感器常用的一种力传感器是由金属梁和_组成的应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成应变片2原理：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_变大，下表面应变片的电阻变
2、小力 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力 F 越大，输出的电压差值也就越_电阻大3作用：应变片将物体形变这个 _量转换为_这个电学量三、温度传感器的应用1电熨斗(1)构造(如图所示)力学电压它主要由调温旋钮、升降螺钉、绝缘支架、触点、双金属片、弹性铜片、电热丝、金属底板等几部分组成(2)敏感元件：双金属片(3)工作原理：温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的_不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断膨胀系数2电饭锅(1)构造(如图所示)(2)敏感元件：感温
3、铁氧体(3)工作原理居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约_时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”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_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103 103 四、光传感器的应用火灾报警器1构造：带孔的罩子内装有发光_、光电三极管和不透明的挡板2工作原理：平时，光电三极管收不到 LED 发出的光，呈现_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_变小，与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报二极管LED高电阻电阻判断正误(1)通常的传感器可
4、以直接用来进行自动控制()(2)力传感器中金属梁是敏感元件()(3)感温铁氧体的温度上升到“居里温度”时，就会失去铁磁性()(4)光电三极管在受到光照时呈高电阻状态()提示：(1)(2)(3)(4)传感器问题分析1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：(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
5、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，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置其中电源电压保持不变，R 是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端当油箱中油量减少时，电压表的示数将如何变化？思路点拨 解析 由题图可知，当油箱内液面高度变化时，R 的金属滑片将会移动，从而引起 R两端电压的变化当油量减少时，R 的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d 间的电压会减小 答案 减小传感器的作
6、用是把非电学量转换为电学量，在转换过程中非电学量的大小往往是不确定的，所以与之相联系的电路就会有动态的变化，在分析动态变化电路时要注意以下三点：(1)明确该传感器所采用的核心部分是什么(2)当检测一非电学量变化时，传感器中与之对应的电阻如何变化(3)在电路中的显示部分与传感器中对应的电阻是串联还是并联，或者是其他的连接方式1.在输液时，药液有时会从针口流出体外，为了及时发现，设计了一种报警装置，电路如图所示M是贴在针口处的传感器，接触到药液时其电阻 RM 发生变化，导致S 两端电压 U 增大，装置发出警报，此时()ARM 变大，且 R 越大，U 增大越明显BRM 变大，且 R 越小，U 增大越
7、明显CRM 变小，且 R 越大，U 增大越明显DRM 变小，且 R 越小，U 增大越明显解析：选 C.当 RM 变大时，回路的总电阻 R 总变大，根据 I 总 ER总，得干路中的电流变小，S 两端的电压 UI 总RS 变小，故选项 A、B 错误；当 RM 变小时，回路的总电阻 R 总11R 1RMRS 变小，根据 I 总 ER总，得干路中的电流变大，S 两端的电压 UI 总RS 变大，而且 R 越大，RM 变小时，对回路的总电阻变化的影响越明显，故选项 C 正确，选项 D 错误 2.酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器
8、，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻 r的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数 U 与酒精气体浓度 C之间的对应关系正确的是()AU 越大，表示 C 越大，C 与 U 成正比BU 越大，表示 C 越大，但是 C 与 U 不成正比CU 越大，表示 C 越小，C 与 U 成正比DU 越大，表示 C 越小，但是 C 与 U 不成反比解析：选 B.传感器电阻 r的倒数与浓度 C 成正比关系，即1rkC，电路中的电流为 IErRR0r，电压表
9、示数 UIR0ER0rRR0rkER0k（RR0r）1C，可见电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增加而增加，故 B 正确 传感器的应用实例1力传感器的应用电子秤(1)力传感器的组成：由金属梁和应变片组成(2)作用：将物体的形变这个力学量转换为电压这个电学量，方便测量、处理和控制2温度传感器的应用(1)电熨斗：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，它可以把温度信号转换为电信号进行自动控制(2)电饭锅：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：常温下具有铁磁性，能被磁体吸引，但是温度上升到约 103 时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了
10、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，就会发出警报考查维度 1 力传感器的应用用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为 2.0 kg 的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器 a、b 上，其
11、压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出 现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器 b 在前，传感器a 在后汽车静止时，传感器 a、b 的示数均为 10 N(取 g10 m/s2)(1)若传感器 a 的示数为 14 N，b 的示数为 6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向；(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器 a 的示数为零？思路点拨 传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小解析(1)如图所示，依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力 F114 N，右侧弹簧对滑块向左的推力 F26.0 N，滑块所受合力产生加速度 a1，根
12、据牛顿第二定律有 F1F2ma1，得 a1F1F2m146.02.0m/s24 m/s2 a1 与 F1 同方向，即向前(向右)(2)传感器 a 的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力 F10，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为 F220 N.滑块所受合力产生加速度 a2，由牛顿第二定律得 F 合F2ma2 得 a2F2m 10 m/s2，方向向左 答案(1)4 m/s2 方向向右(2)以方向向左、大小为 10 m/s2 的加速度运动考查维度 2 温度传感器的应用如图所示，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 R120 k、R210
13、k、R340 k，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 Uab0 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 Uab0 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()A10 B20 C35 D45 思路点拨 由题意可知，Uab0 是电热丝加热和停止加热的临界状态，根据串联分压知识可求得 Uab0 时 RT 的阻值，然后由乙图读出对应的温度 解析 由题意可知 Uab0 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图可知，在 R1、R2、R3 给定的条件下，
14、热敏电阻 RT 的阻值决定了 Uab 的正负设电源负极的电势为零，则 aR2R1R2U，bRTR3RTU，其中 U 为电源的路端电压，令 ab，即 Uab0，则可得R2R1RTR3，代入数据得 RT20 k，查图得对应的温度为 30，C 正确答案 C考查维度 3 光传感器的应用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
15、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思路点拨(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 减弱传感器应用问题的分析方法(1)首先要分清哪是主电路部分，哪是控制电路部分(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，作出相应的反应，促使控
16、制电路工作，保证主电路能工作在相应的设定状态之下3.如图所示，两块水平放置的金属板距离为 d，用导线、开关 S 与一个 n匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化的磁场 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S 断开时传感器上有示数，S 闭合时传感器上恰好无示数重力加速度为 g，则线圈中的磁场 B 的变化情况和磁通量变化率分别是()A正在增强，t mgdqB正在减弱，t mgdnqC正在减弱，t mgdqD正在增强，t mgdnq解析：选 D.S 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大小，因小球带正电，所
17、以上极板带负电，下极板带正电，由楞次定律和安培定则可知感应电流的磁场向下，故磁场 B 正在增强，根据法拉第电磁感应定律 En t U，又 qUdmg 得 t mgdnq，故D 正确4.一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度 t 变化的关系如图中实线所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物有一种用主要成分为 BaTiO3(被称为“PTC”)的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点，PTC 材料的电阻随温度变化的关系如图中实线所示，根据图线分析：(1)为什么原处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？(2)通电一段时间后电熨斗温度 t 自动地稳定在 T_tT_范围之内(填下标数字)解析：(1)由于冷态时 PTC 材料电阻较小，故由 PU2R 知，其发热功率较大，所以升温快(2)从题图上看出，温度较低时，电阻较小，热功率较大，所以生热快于散热，温度升高，电阻值迅速增大，相应生热功率减小，当生热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，生热功率会相应增大，故当生热功率等于散热功率时，温度会稳定在图中 T6T7 之间 答案：(1)见解析(2)6 7本部分内容讲解结束 按ESC键退出全屏播放
