学年高中物理选修32第6章 2 传感器的应用.docx

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学年高中物理选修32第6章2传感器的应用

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）

[自主预习·探新知]

[知识梳理]

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，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，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

（1）居里温度：

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

3.光传感器的应用——火灾报警器

（1）组成：

如图621所示，发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．

图621

（2）工作原理：

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．

[基础自测]

1．思考判断

（1）传感器可以直接用来进行自动控制．（×）

（2）传感器可以用来采集信息．（√）

（3）传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量．（×）

（4）鼠标是力传感器．（×）

（5）电吉他是光电传感器．（×）

2．为了节约能源，合理适时地使用路灯，要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的某种特性制成自动点亮熄灭的装置，实现了自动控制．这是利用半导体的（　　）

A．压敏性　　B．光敏性

C．热敏性D．三种特性都利用了

【解析】　由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天（光线强）与夜晚（光线暗），所以选项B正确；虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外，还与季节有关，因此C错误；灯的亮熄与压力更无关系，A、D错误．

【答案】　B

3．如图622所示，实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时，数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况．从图中可知道该钩码的重力约为____N，A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为________，处于失重状态的为________.

【导学号：

57272139】

图622

【解析】　当拉力的大小不变时，力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动，此时力传感器的读数就是钩码的重力，约10N．当力传感器读数大于重力时，钩码处于超重状态，即A、D状态．当力传感器读数小于重力时，钩码处于失重状态，即B、C状态．

【答案】　10　A、D　B、C

[合作探究·攻重难]

传感器问题的分析思路

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．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．

　用如图623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2kg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10N（g取10m/s2）．

图623

（1）若传感器a的示数为14N，b的示数为6N，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？

【解析】　

（1）如图所示，

依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14N，右侧弹簧对滑块的向左的推力F2＝6N，滑块所受合力产生加速度a1，

根据牛顿第二定律有

F1－F2＝ma1

可得a1＝

＝

m/s2＝4m/s2

a1与F1同方向，即向前（向右）．

（2）a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F′1＝0，因两弹簧相同，左侧弹簧伸长多少，右侧弹簧就缩短多少，所以右侧弹簧的弹力变为F′2＝20N.

滑块所受合力产生加速度a2，由牛顿第二定律得

F合＝F′2＝ma2

可得a2＝

＝10m/s2，方向向左．

【答案】　

（1）4m/s2　方向向右　

（2）以方向向左、大小为10m/s2的加速度运动

力传感器是一种测量力的大小的工具.此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合.当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能，即沿某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种.

[针对训练]

1．如图624所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大．这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量．若滑动变阻器上A、B间长度为l，最大阻值为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k，试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系．

图624

【解析】　设称重物G时弹簧的压缩量为x，由题意得

G＝kx　①

此时，滑动头P距B端距离为l－x，滑动变阻器有效电阻为R0－

R0，

由欧姆定律有I＝

　②

由①②式解得G＝2kl－

.

【答案】　G＝2kl－

常见传感器

1．生活中的传感器

（1）与温度控制相关的家用电器：

电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器．

（2）红外传感器：

自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等．

（3）照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等．

2．农业生产中的传感器

（1）湿度传感器：

判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水．

（2）温度传感器和湿度传感器：

可对上百个点进行温度和湿度监测．由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象．

3．工业生产中的传感器

（1）生产的自动化和半自动化．用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作．各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等．

（2）在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工．

4．飞向太空的传感器

在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用．这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用．在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等．

　温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的．在图626甲中，电源的电动势E＝9.0V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为保护电阻，R为热敏电阻，其电阻值与温度变化的关系如图乙所示．试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式．闭合开关S，当R的温度等于40℃时，电流表示数I1＝2.25mA.则当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？

【导学号：

57272140】

甲　乙　　　

图626

思路点拨：

本题的解答思路为：

→

→

【解析】　题中的Rt图象是直线，根据数学知识可写出热敏电阻R与温度t的关系式为

R＝kt＋b.

由题图象知t1＝0℃时，R1＝4.25kΩ，得b＝4.25，

再根据t2＝120℃时，R2＝2kΩ，得k＝－0.01875，

所以R与t的关系式为R＝－0.01875t＋4.25（kΩ）；

根据题中的Rt图象，t3＝40℃时，热敏电阻的阻值R3＝3.5kΩ，

有E＝I1（r＋R0＋R3）；

电流I2＝3.6mA时，设热敏电阻的阻值为R4，

有E＝I2（r＋R0＋R4），

代入数据可解得R4＝2kΩ，

由题中的Rt图象或将R4＝2kΩ代入R与t的关系式可得t4＝120℃.

【答案】　R＝－0.01875t＋4.25（kΩ）　120℃

温度传感器一般使用的是热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小，正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大，在解答有关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质.

[针对训练]

2．如图627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R1＝20kΩ、R2＝10kΩ、R3＝40kΩ，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Uab≤0时，电压鉴别器会令开关S闭合，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab＞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（　　）

甲　乙　

图627

A．10℃　　B．20℃　　C．35℃　　D．45℃

【解析】　由题可知Uab＝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．由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，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φa＝

U，φb＝

U，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得

＝

，代入数据得RT＝20kΩ，查表得对应的温度为35℃，故C正确．

【答案】　C

电容式传感器

1．电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素．如果某个物理量（如角度θ、位移x、深度H等）的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器．

2．常见电容式传感器

名称

传感器

原理

测定角度θ的电容式传感器

当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况

测定液面高度h的电容式传感器

在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况

测定压力F的电容式传感器

待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况

测定位移x的电容式传感器

随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况

　如图628所示为测定压力的电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表（零刻度在中间）和电源串联成闭合回路，当压力F作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容的变化，导致灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中，灵敏电流表指针偏转情况为（电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏）（　　）

图628

A．向右偏到某一刻度后回到零刻度

B．向左偏到某一刻度后回到零刻度

C．向右偏到某一刻度后不动

D．向左偏到某一刻度后不动

思路点拨：

根据电容的公式C＝

和C＝

，按以下思路进行分析．

→

→

→

→

【解析】　压力F作用时，极板间距d变小，由C＝

，电容器电容C变大，又根据Q＝CU，极板带电荷量变大，所以电容器应充电，灵敏电流计中产生由正接线柱流入的电流，所以指针将右偏．F不变时，极板保持固定后，充电结束，指针回到零刻度．故选A.

【答案】　A

电容式传感器是一多功能传感器，可把压力、转角、位移、压强、声音等非电学量转换为电容这一电学量，分析原理时，关键要搞清是哪个非电学量转换为电容，然后结合电容的决定式来分析.

[针对训练]

3．传感器是将能感受的物理量（如力、热、光、声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图629所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器．金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是（　　）

①C增大表示h增大　②C增大表示h减小

③C减小表示h减小　④C减小表示h增大

A．只有①正确　　B．只有①、③正确

C．只有②正确D．只有②、④正确

图629

【解析】　液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化．当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确．

【答案】　B

[当堂达标·固双基]

1．（多选）下列关于光传感火灾报警器的说法中正确的是（　　）

A．发光二极管、光电三极管都是由半导体材料制成的

B．光电三极管与光敏电阻一样都是光敏感元件，都是将光信号转换为电信号

C．发光二极管发出的是脉冲微光

D．如果把挡板撤去，火灾报警器照样工作

【解析】　发光二极管工作时是持续发光的，挡板撤去，光始终照到光电三极管上，始终发出警报，和有无火灾无关．

【答案】　AB

2．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程，下列属于这类传感器的是（　　）

A．红外报警装置

B．走廊照明灯的声控开关

C．自动洗衣机中的压力传感装置

D．电饭煲中控制加热和保温的温控器

【解析】　红外报警器是当有人或物通过时，将红外线遮住从而使得光信号被遮住，光电效应装置无电流通过，红外报警器则通过另外的装置联系一定的动作，是将光信号转换为电信号的过程，则A选项正确；而B选项是将声音信号转换为电信号的过程；C选项是利用压力来传递信息的过程；D选项则通过温度来控制的过程．

【答案】　A

3．（多选）家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等导体材料组成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的关系如图6210所示．由于这种特性，PTC元件具有发热、控温双重功能，若电热灭蚊器环境温度低于t1，以下判断正确的是（　　）

【导学号：

57272141】

A．通电后，其电功率先增大后减小

B．通电后，其电功率先减小后增大

C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变

D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1～t2间的某一值不变

图6210

【解析】　从题图线上可以看出，如果通电前PTC的温度t＜t1，通电后由于发热的缘故，温度升高致使电阻率减小，发热功率将进一步增大，形成正反馈效应，致使温度大于t1，随着温度的升高，电阻率也增大，功率将减小，形成负反馈效应，发热功率的减小制约了温度的进一步升高．从以上分析可知，t＜t1时，温度会升高；t＞t2时，温度会降低．故温控点在t1～t2，即温度保持在t1～t2间的某一值．故A、D正确．

【答案】　AD

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6211中实线①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6211

有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料可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②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________

【解析】　由题图知，PTC元件在T0～T6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T6～T7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）T6　T7