高中物理第六章传感器2传感器的应用课件新人教版选修3_2-66张 66页

2 　 传感器的应用 一、传感器应用的一般模式 二、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 _______ 组成 , 敏感元 件是 _______ 。 (2) 工作原理 : 应变片 应变片 (3) 作用 : 应变片将物体形变这个力学量转换为 _____ 这个电学量。 电压 2. 温度传感器的应用实例 : 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 _________ 不同 , 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 铁氧体在温度达到 “ 居里温度 ” 103 ℃ 时 ,_________, 使触点开关断开 膨胀系数 失去磁性 3. 光传感器的应用 —— 火灾报警器 : (1) 组成及敏感元件 : 由带孔的罩子、 ______________ 、 ___________ 和不透明的挡板组成 , 敏感元件为 _______ _____ 。 发光二极管 LED 光电三极管 光电三 极管 (2) 工作原理 : 【 思考辨析 】 (1) 传感器可以直接用来进行自动控制。 ( 　　 ) (2) 传感器可以将感受到的一些信号转化为电学量。 ( 　　 ) (3) 电子秤的应变片的电阻随形变大小而变化。 ( 　　 ) (4) 电熨斗和电饭煲都是利用双金属片控制电路通断的。 ( 　　 ) (5) 火灾报警器中的光电三极管的电阻随光照的增强而变小。 ( 　　 ) (6) 利用红外线敏感元件可以实现无接触测温。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。传感器获取的信息一般很微弱 , 必须经放大后才能实现自动控制。 (2)√ 。传感器的作用就是将一些非电学量转化为易测量的电学量。 (3)√ 。应变片的电阻是随形变的大小而变化。 (4)× 。电饭煲是利用感温铁氧体在温度上升到 103 ℃ 时失去磁性而离开永久磁体实现电路通断的。 (5)√ 。当烟雾进入火灾报警器的罩内后对光有散射作用 , 使部分光照射到光电三极管上 , 其电阻变小后 , 控制电路中电流变大 , 触发报警器而报警。 (6)√ 。物体的温度不同 , 物体发射红外线情况不同 , 因此利用红外线敏感元件可以实现无接触测温。 一　传感器的应用模式及分析 【 典例 】 如图是某研究学习小组通过模拟街道路灯自 动控制电路图 , 光控开关可采用光敏电阻来控制 , 光敏 电阻的阻值随着光照度增强而减小 , 利用直流电源为电 磁铁供电 , 利用照明电源为电灯供电。为达到天亮灯熄、 天暗灯亮的效果 , 电灯应接在 ________( 选填“ AB” 或“ BC”) 之间 , 请用笔画线代替导线 , 正确连接部分电路元件。   【 正确解答 】 该模拟电路原理是 : 由光敏电阻感知光照 度变化 , 调节电磁铁中电流的大小 , 即可调节电磁铁的 磁性强弱 , 吸上或者释放衔铁 , 从而通、断路灯 , 达到天 亮灯熄、天暗灯亮的效果。因为天亮时光照度大 , 光敏 电阻阻值较小 , 从而电路的电流较大 , 电磁的磁性强 , 可 将衔铁吸下 , 接通 BC 断开 AB; 又因为天亮需要断开路灯 , 所以路灯应接在 AB 之间。电路连线直接将 DE 两端口与光敏电阻、滑动变阻器、开关以及电源串联即可。电路如图所示 : 答案 : AB 【 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) 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 , 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. 测定压力变化的电容式传感器如图所示 ,A 为固定电极 ,B 为可动电极 , 组成一个电容大小可变的电容器。可动电极两端固定 , 当待测压力施加在可动电极上时 , 可动电极发生形变 , 从而改变了电容器的电容。现将此电容式传感器连接到如图所示的电路中 , 当待测压力增大时 ( 　　 ) A. 电容器的电容将减小 B. 电阻 R 中没有电流 C. 电阻 R 中有从 a 流向 b 的电流 D. 电阻 R 中有从 b 流向 a 的电流 【 解析 】 选 D 。当待测压力增大时 , 电容器板间距离减 小 , 根据电容的决定式 C= 得知 , 电容 C 增大。故 A 错误。 电容器板间电压 U 不变 , 电容器所带电量为 Q=CU,C 增大 , 则 Q 增大 , 电容器处于充电状态 , 而 A 板带正电 , 则电路中 形成逆时针方向的充电电流 , 电阻 R 中有从 b 流向 a 的电 流。故 B 、 C 错误 ,D 正确。故选 D 。 【 总结提升 】 本题考查对传感器基本原理的理解 , 实 质是电容器动态变化分析问题 , 电容的决定式 C= 和定义式 C=Q/U 结合进行分析。力的作用引起了电容的 变化 , 电容的变化引起了电容器电荷量的变化 , 进而引 起电路中电流的变化。 2. 如图所示为一种常见的身高体重测量仪 , 测量仪顶部 向下发射超声波 , 超声波经反射后返回 , 被测量仪接收 , 测量仪可记录发射和接收的时间间隔。测量仪底部有 一压力传感器 , 其输出电压与作用在其上的压力 F 成正 比 , 表达式为 U=kF(k 为比例系数 ) 。某同学已知了自己 的身高 h 、质量 m 和重力加速度 g, 他想利用该装置测量 超声波速度 v 和比例系数 k, 他多次研究发现 , 当他站上测重台时测量仪记录的时间间隔比他没站上时减少了 Δt; 当他没站上测重台时 , 测量仪已有输出电压为 U 0 (U 0 ≠0), 当他站上测重台时测量仪输出电压为 U, 那么超声波 v 与比例系数 k 为 【 解析 】 选 C 。设身高体重测量仪高度为 L, 没有站人时 压力传感器的压力为 F 0 , 设当测重台上没有站人时 , 测 量仪记录的时间间隔为 t 0 , 根据超声波的速度和位移关 系可得 vt 0 =2L; 根据传感器输出电压与作用在其上的压 力成正比可得 U 0 =kF 0 ; 当测重台上站人时 , 测量仪记录 的时间间隔为 t, 同理可得 vt=2(L-h),U=k(F 0 +mg), 联立 解得 , C 正确 ; 故选 C 。 【 补偿训练 】 如图所示 ,M 是一小型理想变压器 , 接线柱 a 、 b 接在电压 u=311sin314t(V) 的正弦式交流电源上 , 变压器右侧部分为一火警报警系统 , 其中 R 2 是用半导体热敏材料 ( 电阻随温度升高而降低 ) 制成的传感器 , 电流表 A 2 是值班室的显示器 , 显示通过 R 1 的电流 , 电压表 V 2 显示加在报警器上的电压 ( 报警器未画出 ),R 3 是一定值电阻。当传感器 R 2 所在处出现火情时 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A.A 1 的示数不变 ,A 2 的示数增大 B.A 1 的示数增大 ,A 2 的示数增大 C.V 1 的示数增大 ,V 2 的示数增大 D.V 1 的示数不变 ,V 2 的示数减小 【 解析 】 选 D 。当 R 2 所在处出现火情时 , 温度升高 , 其电阻减小 , 因 V 1 不变 , 所以副线圈中输出端的电压不变 , 副线圈中并联电路两端的电压减小 ,V 2 减小 ,A 2 根据欧姆定律判断也减小。因副线圈所接的总电阻减小 , 副线圈输出功率增大 ,A 1 读数增大 , 所以 D 项正确。 2. 用如图所示的传感器可以测物体的位移 , 说明它们的工作原理有什么不同。 【 解析 】 甲是将位移信号转化成电容信号 , 乙是将位移信号转化成电感信号。 答案 : 见解析 二　常见传感器的应用实例 【 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。有一种测量人的体重的电子秤 , 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, 取 g=10 m/s 2 。请作答 : 压力 F/N 0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 … 电阻 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何处 ? (2) 如果某人站在该秤踏板上 , 电流表刻度盘的示数为 20 mA, 则这个人的质量是多少 ? 【 正确解答 】 (1) 由压力传感器 R 的电阻与所受压力的 关系如表中所示 , 可得 :F=0,R=300 Ω, 由闭合电路欧 姆定律 :I= =1.6×10 -2 A 即该秤零起点 ( 即踏板空载时 ) 的刻度线应标在电流表 刻度盘 1.6×10 -2 A 处 (2) 由闭合电路欧姆定律 :R= =240 Ω 由表中数据得 ,F=500 N, 由 G=mg, 得 m=50 kg 如果某人站在该秤踏板上 , 电流表刻度盘的示数为 20 mA, 则此人的体重是 50 kg 答案 : (1) 应标在电流表刻度盘 1.6×10 -2 A 处　 (2)50 kg 【 核心归纳 】 常见传感器的应用 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。 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. 图为火灾报警器 , 在会议室、宾馆房间的天花板上均有安装。当有烟雾进入这种有孔的罩内时即会发出警报 , 则该报警器中装有的传感器是 ( 　　 ) A. 光传感器　　　 B. 压力传感器 C. 声音传感器 D. 温度传感器 【 解析 】 选 A 。有烟雾进入这种有孔的罩内时对光有散射作用 , 使光线的光路发生变化 , 改变传感器上光照强度来发出警报 , 则该报警器中装有的传感器是光传感器。故 A 项正确。 2.( 多选 ) 电熨斗已经走进千家万户 , 特别是服装店更离不开它 , 现在的电熨斗具有自动控制温度功能 , 可以通过双金属片来控制电路的通断。如图为电熨斗的结构示意图 , 关于电熨斗的控制电路正确的是 ( 　　 ) A. 常温下 , 电熨斗的上下触点应该是分离的 B. 图中双金属片上层的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数 C. 熨烫棉麻衣物时 , 应旋转调温旋钮 , 使升降螺钉上升 D. 熨烫丝绸衣物时 , 应旋转调温旋钮 , 使升降螺钉上升 【 解析 】 选 B 、 D 。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 , 故上层膨胀的厉 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。故 A 错 ,B 正确 ; 熨烫棉麻衣 物需要设定较高的温度 , 也就是要求双金属片弯曲程度较大时 , 两触点分离 , 所以应使调温旋钮下旋。反之熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度 , 应使调温旋钮上旋故 C 错误 ,D 正确 ; 故选 B 、 D 。 【 补偿训练 】 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 根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得 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 : 温控电路的分析计算 【 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 ? 【 正确解答 】 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。