1、2传感器的应用学 习 目 标知 识 脉 络1.了解传感器在日常生活和生产中的应用(重点)2.了解传感器的一般应用模式.3.会设计简单的有关传感器应用的控制电路，提升分析问题、解决问题的能力(难点)传感器工作的一般模式应用传感器的实际工作过程中为什么需要放大电路？【提示】因为传感器将非电学量转换为电学量的信号往往很弱，所以一般要通过放大电路放大探讨1：如图621所示，是测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物体，C为导电液体，把传感器接到图示电路中已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同如果发现指针正向左偏转，则导电液体的深度h是如何变化的？并说明电容器的电容的变
2、化图621【提示】深度h增大，电容增大探讨2：如图622所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻此光电计数器的基本工作原理是什么？图622【提示】当光被物体挡住时，R1的电阻增大，电路中的电流减小，R2两端的电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个物体就获得一次低电压，计数一次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
3、(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1如图623甲所示是一火警报警装置的一部分电路，其中R2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() 【导学号：050021
4、55】甲乙图623AI变大，U变大BI变小，U变小CI变小，U变大DI变大，U变小【解析】当传感器所在处出现火情时，温度升高，即R2的阻值减小，故外电阻减小，干路电流增大，内电压、R4两端的电压均增大，故a、b两端电压减小；并联电路的电压减小，通过R3的电流减小，而总电流增大，所以R2上通过的电流增大，故D选项正确【答案】D2如图624所示为普通冰箱内温度控制器的结构铜质的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，上述材料就构成了一个温度传感器膜盒3为扁圆形(图中显示为它的切面)，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀测温
5、泡1安装在冰箱的冷藏室中，5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上，连杆9的下端是装在机箱上的轴凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力图624(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够开始工作，而当达到设定的低温后又自动停止工作？(2)为什么凸轮可以改变设定的温度？【解析】(1)冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而当达到设定的低温时弹簧7带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作(2)凸轮
6、逆时针旋转会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与膜盒3共同控制弹簧片4的运动，故凸轮可以改变设定的温度【答案】见解析3如图625甲(a)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甲(b)所示，试根据这一特性由图乙中给定的器材设计一个自动光控电路图625【解析】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的自动光控电路如图所示控制过程是：当有光照时，输入电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开；
7、当无光照时，输入电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制电路接通，灯开始工作 【答案】见解析图传感器应用问题的分析方法1分清主电路和控制电路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3敏感元件感知主电路所处的状态，作出相应的反应，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中传感器的应用实例1力传感器的应用电子秤(1)组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片(2)工作原理(3)作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量2温度传感器的应用实例敏感元件工作原理电熨斗双金属片温度变化时，双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同
8、，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断电饭锅感温铁氧体居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103 C时，失去铁磁性，这一温度称为“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约103 C时，感温铁氧体失去铁磁性，与永磁体失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使触点开关断开3.光传感器的应用火灾报警器报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、发光三极管和不透明的挡板1应变式力传感器可以用来测量重力，也可用来测牵引力()2常温下，电熨斗上、下触点应当是分离的，温度过高时，触点接触()3电饭锅内温度达到100 时，触点分离，切断电源，停止加热()在机场、车站、码
9、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探讨：如图626所示为一冷库中的自动控温设备，容器中是导电液体，其液面与两个电极刚刚接触，试探究分析其自动控温原理图626【提示】冷库中温度较低时，导电液体体积较小，此时两电极未与导电液体接触，制冷机不工作，当冷库中温度升高，致使导电液体受热膨胀，体积增大，液面升高，当液面与两电极接触时，电路接通，制冷机开始工作，冷库温度降低，导电液体温度降低，液面下降，当液面与电
10、极分离时，电路断开，制冷机停止工作1电子秤的工作原理：如图627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的大小应变片测力原理传感器的应用图6272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628所示图628常温下，上下触点应当是接触
11、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3电饭锅工作原理：如图629所示，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，电饭锅停止工作图6294火灾报警器工作原理：如图6210所示，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
12、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，就会发出警报图62104(多选)如图6211所示为某中学实验小组同学设计的拉力传感器，将劲度系数为k100 N/cm的弹簧的一端固定在竖直墙壁上，另一端与导电性能良好的刚性拉杆相连接，在拉杆上固定一滑片已知电路中定值电阻R05 ，R1是阻值为25 、长度为5 cm且分布均匀的电阻丝，忽略滑片与电阻丝之间的摩擦，理想电流表允许的最大电流为0.6 A，电源电动势为E3 V(内阻不计)当拉杆不受力时滑片位于电阻丝的最左端则() 【导学号：05002156】6211A定值电阻的作用是分压
13、B当滑片位于电阻丝的最左端时，电流表的示数为0.1 AC如果在拉杆上施加大小为400 N的力，电流表的示数为0.3 AD如果在拉杆上施加大小为400 N的力，电流表的示数为0.5 A【解析】若电路无定值电阻R0，且滑片位于金属丝的最右端时，回路短路，烧毁电源，R0的存在使电路不出现短路，因此定值电阻的目的是保护电路，A错误；当滑片位于电阻丝的最左端时，由闭合电路欧姆定律得I0.1 A，B正确；当在拉杆上施加大小为400 N的力时，由Fkx得x4 cm，则电阻丝接入电路中的电阻为R5 ，由闭合电路欧姆定律得I0.3 A，D错误，C正确【答案】BC5一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度
14、T变化的关系如图6212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的范围内波动，易损坏衣物图6212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解答：(1)为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？(2)通电一段时间后电熨斗温度T自动地稳定在_T_范围之内【解析】由图知，PTC元件在T0T6温度内，电阻随温度升高而减小，在电源电压一定时电功率增大，故升温快；当温度超过T6时，电阻随温度升高迅速增大，电功
15、率减小，当发热功率小于散热功率时，温度不升反降，直到发热功率等于散热功率时，温度可保持在一定的范围内不变，即可控制在T6T7范围之内【答案】(1)冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快(2)T6T76如图6213所示为一种加速度仪的示意图质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧，电源的电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中间，这时电压表指针恰好在刻度盘正中间求： 【导学号：05002157】图6213(1)系统的加速度a(以向右为正)和电压表读数U的函数关系式；(2)将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？(3)若电压表指针指在满刻度的位置，此时系统的加速度大小和方向如何？【解析】(1)当振子向左偏离中间位置x距离时，由牛顿第二定律得2kxma电压表的示数为UE由以上两式解得a(E2U)(2)均匀，因为加速度a与电压表示数U是一次函数(线性)关系(3)当滑动触头滑到最右端时，电压表最大示数UmE，电压表指针指在满刻度的位置时，UE代入式解得a.【答案】(1)a(E2U)(2)见解析(3)方向向左力传感器问题的分析方法1分析传感器中对应物体的受力和运动情况2分析物体的运动及受力情况发生变化之后引起的电学量变化3列出动力学方程和运动学方程4对结果进行讨论
