2　傳感器的應(yīng)用

1、2傳感器的應(yīng)用學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)1.了解傳感器在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用(重點(diǎn))2.了解傳感器的一般應(yīng)用模式.3.會(huì)設(shè)計(jì)簡單的有關(guān)傳感器應(yīng)用的控制電路，提升分析問題、解決問題的能力(難點(diǎn))傳感器工作的一般模式應(yīng)用傳感器的實(shí)際工作過程中為什么需要放大電路？【提示】因?yàn)閭鞲衅鲗⒎请妼W(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的信號(hào)往往很弱，所以一般要通過放大電路放大探討1：如圖6­2­1所示，是測定液面高低的傳感器示意圖，A為固定的導(dǎo)體芯，B為導(dǎo)體芯外面的一層絕緣物體，C為導(dǎo)電液體，把傳感器接到圖示電路中已知靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向相同如果發(fā)現(xiàn)指針正向左偏轉(zhuǎn)，則導(dǎo)電液體的深度h是如何變化的

2、？并說明電容器的電容的變化圖6­2­1【提示】深度h增大，電容增大探討2：如圖6­2­2所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是什么？圖6­2­2【提示】當(dāng)光被物體擋住時(shí)，R1的電阻增大，電路中的電流減小，R2兩端的電壓減小，信號(hào)處理系統(tǒng)得到低電壓，每通過一個(gè)物體就獲得一次低電壓，計(jì)數(shù)一次1分析思路物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個(gè)步驟：(1)信息采集(2)信息加工、放大、傳輸(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種

3、操作2分析傳感器問題要注意四點(diǎn)(1)感受量分析要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等(2)敏感元件分析明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)，以及輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的變化規(guī)律(3)電路結(jié)構(gòu)分析認(rèn)真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點(diǎn)基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的規(guī)律(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作分析傳感器的應(yīng)用，不僅包含非電學(xué)量如何向電學(xué)量轉(zhuǎn)化的過程，還包含根據(jù)所獲得的信息控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的過程1如圖6­2­3甲所示是一火警報(bào)警裝置的一部分電路，其中R2是半導(dǎo)體熱敏電阻(傳感器)，它的電阻R隨溫度t變化關(guān)系如圖乙所示，該電路的輸出端a

4、、b接報(bào)警器，當(dāng)傳感器所在處出現(xiàn)火情時(shí)，通過電流表的電流I和a、b兩端電壓U與出現(xiàn)火情前相比() 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：05002155】甲乙圖6­2­3AI變大，U變大BI變小，U變小CI變小，U變大DI變大，U變小【解析】當(dāng)傳感器所在處出現(xiàn)火情時(shí)，溫度升高，即R2的阻值減小，故外電阻減小，干路電流增大，內(nèi)電壓、R4兩端的電壓均增大，故a、b兩端電壓減?。徊⒙?lián)電路的電壓減小，通過R3的電流減小，而總電流增大，所以R2上通過的電流增大，故D選項(xiàng)正確【答案】D2如圖6­2­4所示為普通冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu)銅質(zhì)的測溫泡1、細(xì)管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統(tǒng)，里面充

5、有氯甲烷和它的蒸汽，上述材料就構(gòu)成了一個(gè)溫度傳感器膜盒3為扁圓形(圖中顯示為它的切面)，右表面固定，左表面通過小柱體與彈簧片4連接盒中氣體的壓強(qiáng)增大時(shí)，盒體就會(huì)膨脹測溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中，5、6分別是電路的動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)的工作彈簧7的兩端分別連接到彈簧片4和連桿9上，連桿9的下端是裝在機(jī)箱上的軸凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕(圖中未畫出)控制的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對(duì)彈簧7的拉力圖6­2­4(1)為什么當(dāng)冰箱內(nèi)溫度較高時(shí)壓縮機(jī)能夠開始工作，而當(dāng)達(dá)到設(shè)定的低溫后又自動(dòng)停止工作？(2)為什么凸輪可以改變?cè)O(shè)定的溫度？【解析】(1)冰箱內(nèi)溫度較高時(shí)，

6、密封系統(tǒng)中的壓強(qiáng)增大，盒體膨脹，膜盒3通過小柱體帶動(dòng)彈簧片4使動(dòng)觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6接觸，控制壓縮機(jī)自動(dòng)開始工作，而當(dāng)達(dá)到設(shè)定的低溫時(shí)彈簧7帶動(dòng)彈簧片4將觸點(diǎn)5、6斷開，使壓縮機(jī)停止工作(2)凸輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)會(huì)加大連桿9對(duì)彈簧7的拉力，該拉力與膜盒3共同控制彈簧片4的運(yùn)動(dòng)，故凸輪可以改變?cè)O(shè)定的溫度【答案】見解析3如圖6­2­5甲(a)所示為一測量硫化鎘光敏電阻特性的實(shí)驗(yàn)電路，電源電壓恒定電流表內(nèi)阻不計(jì)，開關(guān)閉合后，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片，使小燈泡發(fā)光逐漸增強(qiáng)，測得流過電阻的電流和光強(qiáng)的關(guān)系曲線如圖甲(b)所示，試根據(jù)這一特性由圖乙中給定的器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)光控電路圖6­2&#

7、173;5【解析】由光敏電阻的特性曲線可以看出，當(dāng)入射光增強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值減小，流過光敏電阻的電流增大根據(jù)題意設(shè)計(jì)的自動(dòng)光控電路如圖所示控制過程是：當(dāng)有光照時(shí)，輸入電流經(jīng)過放大器輸出一個(gè)較大的電流，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器吸引銜鐵使兩個(gè)觸點(diǎn)斷開；當(dāng)無光照時(shí)，輸入電流減小，放大器輸出電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，使兩個(gè)觸點(diǎn)閉合，控制電路接通，燈開始工作【答案】見解析圖傳感器應(yīng)用問題的分析方法1分清主電路和控制電路2聯(lián)系主電路和控制電路的關(guān)鍵點(diǎn)就是傳感器中的敏感元件3敏感元件感知主電路所處的狀態(tài)，作出相應(yīng)的反應(yīng)，促使控制電路工作，保證主電路能工作在相應(yīng)的設(shè)定狀態(tài)之中傳感器的應(yīng)用實(shí)例1力傳感器的應(yīng)用電子秤

8、(1)組成及敏感元件：由金屬梁和應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片(2)工作原理(3)作用：應(yīng)變片將物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量2溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)例敏感元件工作原理電熨斗雙金屬片溫度變化時(shí)，雙金屬片上層金屬與下層金屬的熱膨脹系數(shù)不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷電飯鍋感溫鐵氧體居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性，溫度上升到約103 °C時(shí)，失去鐵磁性，這一溫度稱為“居里溫度”自動(dòng)斷電原理：用手按下開關(guān)通電加熱，開始煮飯，當(dāng)鍋內(nèi)加熱溫度達(dá)到約103 °C時(shí)，感溫鐵氧體失去鐵磁性，與永磁體失去吸引力，被彈簧彈開，從而推動(dòng)杠桿使觸點(diǎn)開關(guān)斷開3.光傳感器的應(yīng)用火災(zāi)報(bào)警

9、器報(bào)警器帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、發(fā)光三極管和不透明的擋板1應(yīng)變式力傳感器可以用來測量重力，也可用來測牽引力()2常溫下，電熨斗上、下觸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是分離的，溫度過高時(shí)，觸點(diǎn)接觸(×)3電飯鍋內(nèi)溫度達(dá)到100 時(shí)，觸點(diǎn)分離，切斷電源，停止加熱(×)在機(jī)場、車站、碼頭等人員集散地都設(shè)有體溫檢測點(diǎn)，為什么測體溫時(shí)一般不用水銀溫度計(jì)，而用紅外線測溫儀？【提示】用水銀溫度計(jì)，測溫時(shí)間長，同時(shí)又容易引起交叉感染，用紅外線測溫儀測溫速度快，也不需要與人體直接接觸，又避免了交叉感染，因此用紅外線測溫儀較好探討：如圖6­2­6所示為一冷庫中的自動(dòng)控溫設(shè)備，容器中是導(dǎo)電

10、液體，其液面與兩個(gè)電極剛剛接觸，試探究分析其自動(dòng)控溫原理圖6­2­6【提示】冷庫中溫度較低時(shí)，導(dǎo)電液體體積較小，此時(shí)兩電極未與導(dǎo)電液體接觸，制冷機(jī)不工作，當(dāng)冷庫中溫度升高，致使導(dǎo)電液體受熱膨脹，體積增大，液面升高，當(dāng)液面與兩電極接觸時(shí)，電路接通，制冷機(jī)開始工作，冷庫溫度降低，導(dǎo)電液體溫度降低，液面下降，當(dāng)液面與電極分離時(shí)，電路斷開，制冷機(jī)停止工作1電子秤的工作原理：如圖6­2­7所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個(gè)應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變小F越大，彎曲形

11、變?cè)酱?，?yīng)變片的電阻變化就越大如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變小傳感器把這兩個(gè)電壓的差值輸出外力越大，輸出的電壓差值也就越大，由電壓差值的大小，即可得到外力F的大小應(yīng)變片測力原理傳感器的應(yīng)用圖6­2­72電熨斗的自動(dòng)控溫原理：其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖6­2­8所示圖6­2­8常溫下，上下觸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是接觸的，但溫度過高時(shí)，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上層金屬膨脹大，下層金屬膨脹小，則雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)分離，從而切斷電源停止加熱；溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接

12、通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動(dòng)控制溫度的作用3電飯鍋工作原理：如圖6­2­9所示，電飯鍋工作時(shí)，按下開關(guān)按鈕，感溫磁體與永磁體接觸，兩個(gè)接線螺釘通過觸點(diǎn)相連，電路接通，開始工作，電飯鍋內(nèi)溫度升高，當(dāng)達(dá)到103 時(shí)，感溫磁體與永磁體分離，帶動(dòng)觸點(diǎn)分離，電路斷開，不再加熱，電飯鍋停止工作圖6­2­94火災(zāi)報(bào)警器工作原理：如圖6­2­10所示，帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板平時(shí)，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對(duì)光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小與傳感器連接的電

13、路檢測出這種變化，就會(huì)發(fā)出警報(bào)圖6­2­104(多選)如圖6­2­11所示為某中學(xué)實(shí)驗(yàn)小組同學(xué)設(shè)計(jì)的拉力傳感器，將勁度系數(shù)為k100 N/cm的彈簧的一端固定在豎直墻壁上，另一端與導(dǎo)電性能良好的剛性拉桿相連接，在拉桿上固定一滑片已知電路中定值電阻R05 ，R1是阻值為25 、長度為5 cm且分布均勻的電阻絲，忽略滑片與電阻絲之間的摩擦，理想電流表允許的最大電流為0.6 A，電源電動(dòng)勢為E3 V(內(nèi)阻不計(jì))當(dāng)拉桿不受力時(shí)滑片位于電阻絲的最左端則() 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：05002156】6­2­11A定值電阻的作用是分壓B當(dāng)滑片位于電阻絲的最左端

14、時(shí)，電流表的示數(shù)為0.1 AC如果在拉桿上施加大小為400 N的力，電流表的示數(shù)為0.3 AD如果在拉桿上施加大小為400 N的力，電流表的示數(shù)為0.5 A【解析】若電路無定值電阻R0，且滑片位于金屬絲的最右端時(shí)，回路短路，燒毀電源，R0的存在使電路不出現(xiàn)短路，因此定值電阻的目的是保護(hù)電路，A錯(cuò)誤；當(dāng)滑片位于電阻絲的最左端時(shí)，由閉合電路歐姆定律得I0.1 A，B正確；當(dāng)在拉桿上施加大小為400 N的力時(shí)，由Fkx得x4 cm，則電阻絲接入電路中的電阻為R5 ，由閉合電路歐姆定律得I0.3 A，D錯(cuò)誤，C正確【答案】BC5一般的電熨斗用合金絲作發(fā)熱元件，合金絲電阻隨溫度T變化的關(guān)系如圖6

15、3;2­12中實(shí)線所示由于環(huán)境溫度以及熨燙的衣物厚度、干濕等情況不同，熨斗的散熱功率不同，因而熨斗的溫度可能會(huì)在較大的范圍內(nèi)波動(dòng)，易損壞衣物圖6­2­12有一種用主要成分為BaTiO3被稱為“PTC”的特殊材料作發(fā)熱元件的電熨斗，具有升溫快、能自動(dòng)控制溫度的特點(diǎn)PTC材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系如圖中實(shí)線所示根據(jù)圖線解答：(1)為什么原處于冷態(tài)的PTC熨斗剛通電時(shí)比普遍電熨斗升溫快？(2)通電一段時(shí)間后電熨斗溫度T自動(dòng)地穩(wěn)定在_<T_范圍之內(nèi)【解析】由圖知，PTC元件在T0T6溫度內(nèi)，電阻隨溫度升高而減小，在電源電壓一定時(shí)電功率增大，故升溫快；當(dāng)溫度超過T6時(shí)

16、，電阻隨溫度升高迅速增大，電功率減小，當(dāng)發(fā)熱功率小于散熱功率時(shí)，溫度不升反降，直到發(fā)熱功率等于散熱功率時(shí)，溫度可保持在一定的范圍內(nèi)不變，即可控制在T6T7范圍之內(nèi)【答案】(1)冷態(tài)時(shí)PTC電阻很小，電功率很大，所以升溫很快(2)T6T76如圖6­2­13所示為一種加速度儀的示意圖質(zhì)量為m的振子兩端連有勁度系數(shù)均為k的輕彈簧，電源的電動(dòng)勢為E，不計(jì)內(nèi)阻，滑動(dòng)變阻器的總阻值為R，有效長度為L，系統(tǒng)靜止時(shí)滑動(dòng)觸頭位于滑動(dòng)變阻器正中間，這時(shí)電壓表指針恰好在刻度盤正中間求： 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：05002157】圖6­2­13(1)系統(tǒng)的加速度a(以向右為正)和電壓表讀數(shù)U的函數(shù)關(guān)系式；(2)將電壓表刻度改為加速度刻度后，其刻度是均勻的還是不均勻的？為什么？(3)若電壓表指針指在滿刻度的位置，此時(shí)系