2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理選擇性必修2 第5章傳感器第2節(jié)常見傳感器的工作原理及應(yīng)用(5)課件

常見傳感器的工作原理及應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器可用來測量各種力,其中的應(yīng)變片能把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量.2.電熨斗因為裝有雙金屬片溫度傳感器,所以它能夠自動控制溫度.雙金屬片上層金屬的熱膨脹系數(shù)大于下層金屬.3.電飯鍋中的溫度傳感器主要元件是感溫鐵氧體.4.有一種火災(zāi)報警器是利用了光傳感器的作用,即利用煙霧對光的散射來工作.1．傳感器問題的分析思路

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)行某種操作.

2．分析傳感器問題要注意四點

(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)輸出信號分析：明確傳感器的敏感元件,分析它的輸入信號及輸出信號,以及輸入信號與輸出信號間的變化規(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的基礎(chǔ)上,分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律.(4)執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)進(jìn)行工作的過程.

1．關(guān)于傳感器的作用,下列說法正確的是 (

)A．通常的傳感器可以直接用來進(jìn)行自動控制

B．傳感器可以用來采集信息

C．傳感器可以將感受到的一些信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)量

D．傳感器可以將所有感受到的信號都轉(zhuǎn)換為電學(xué)量

解析：傳感器是將感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的

儀器,不同的傳感器感受不同的信號,B、C對.

答案：BC1．力傳感器的應(yīng)用——電子秤

(1)組成及敏感元件：由

和

組成,敏感元件是

.(2)工作原理：金屬梁應(yīng)變片應(yīng)變片(3)作用：應(yīng)變片將物體

這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為

這個電學(xué)量.形變電壓敏感元件工作原理電熨斗雙金屬片溫度變化時,由于雙金屬片上層金屬與下層金屬的膨脹系數(shù)不同,雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷2.溫度傳感器的應(yīng)用實例敏感元件工作原理電飯鍋感溫鐵氧體(1)居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性,溫度上升到約時,失去鐵磁性,這一溫度稱為“居里溫度”(2)自動斷電原理：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)到時,鐵氧體失去磁性,與永久磁鐵失去吸引力,被彈簧片彈開,從而推動杠桿使觸點開關(guān)斷開3．光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報警器

(1)組成：發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.(2)工作原理：平時光電三極管收不到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.與傳感器連接的電路檢測出這種變化,就會發(fā)出警報.圖6－2－11．生活中的傳感器

(1)與溫度控制相關(guān)的家用電器：電飯煲、電冰箱、微波爐、空調(diào)、消毒碗柜等,都用到溫度傳感器.(2)紅外傳感器：自動門、家電遙控器、生命探測器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器等.

(3)照相機中的光傳感器和家用便攜式電子秤的壓力傳感器等.2．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器

(1)濕度傳感器：判斷農(nóng)田的水分蒸發(fā)情況,自動供水或停水.(2)溫度傳感器和濕度傳感器：可對上百個點進(jìn)行溫度和濕度監(jiān)測.由于有了十分先進(jìn)可靠的測試技術(shù),有效地減少了霉變現(xiàn)象.3．工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器

(1)生產(chǎn)的自動化和半自動化.用機器人、自動化小車、自動機床、各種自動生產(chǎn)線或者系統(tǒng),代替人完成加工、裝配、包裝、運輸、存儲等工作.各種傳感器使生產(chǎn)的自動運行保持在最佳狀態(tài),以確保產(chǎn)品質(zhì)量,提高效率和產(chǎn)量,節(jié)約原材料等.(2)在數(shù)控機床中的位移測量裝置,就是利用高精度位移傳感器進(jìn)行位移測量,從而實現(xiàn)對零部件的精密加工.4．飛向太空的傳感器在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域,傳感器應(yīng)用得較早,也應(yīng)用得較多,在運載火箭、載人飛船中,都應(yīng)用了大量的傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用.這些傳感器對控制航天器的姿態(tài)、接收和發(fā)送信息、收集太空數(shù)據(jù)等都有重要作用.在載人飛船中還使用一類測量航天員各種生理狀況的生理傳感器,如測量血壓、心電圖、體溫等.2．用遙控器調(diào)換電視機頻道的過程,實際上就是傳感器

把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程,下列屬于這類傳感器

的是 (

)A．紅外報警裝置

B．走廊照明燈的聲控開關(guān)

C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置

D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器解析：紅外報警器是當(dāng)有人或物通過時,將紅外線遮住從而使得光信號被遮住,光電效應(yīng)裝置無電流通過,紅外報警器則通過另外的裝置聯(lián)系一定的動作,是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程,則A選項正確；而B選項是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程,C選項是利用壓力來傳遞信息的過程,D選項則通過溫度來控制的過程.答案：A[例1]

用如圖6－2－2所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度.該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個由力敏電阻組成的壓力傳感器.用兩根相同的輕彈簧夾著一個質(zhì)量為2.0kg的滑塊,滑塊可無摩擦滑動,兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上,其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出.現(xiàn)將裝置沿運動方向固定在汽車上,傳感器b在前,傳感器a在后.汽車靜止時,傳感器a、b的示數(shù)均為10N(取g＝10m/s2).

圖6－2－2(1)若傳感器a的示數(shù)為14N,b的示數(shù)為6.0N,求此時汽車的加速度大小和方向.(2)當(dāng)汽車以怎樣的加速度運動時,傳感器a的示數(shù)為零？

[思路點撥]

傳感器上所顯示出的力的大小,即彈簧對傳感器的壓力,據(jù)牛頓第三定律知,此即為彈簧的彈力大小,亦即該彈簧對滑塊的彈力大小.[答案]

(1)4.0m/s2向右(2)以方向向左大小為10m/s2的加速度運動[借題發(fā)揮]力傳感器是一種測量力的大小的工具.此類題常與牛頓第二定律、運動學(xué)的內(nèi)容綜合.當(dāng)只知道加速度的大小和方向,不知道物體的運動方向時,物體的運動情況有兩種可能即沿某一方向的勻加速或相反方向的勻減速,不要漏掉其中一種.1．如圖6－2－3所示,實線是某同學(xué)利用力傳感器懸掛一

鉤碼在豎直方向運動時,數(shù)據(jù)采集器記錄下的力傳感

器中拉力的大小變化情況.從圖中可知道該鉤碼的重

力約為________N,A、B、C、D四段圖線中鉤碼處于

超重狀態(tài)的為________,處于失重狀態(tài)的為________.圖6－2－3解析：當(dāng)拉力的大小不變時,力傳感器懸掛的鉤碼在豎直方向是勻速運動,此時力傳感器的讀數(shù)就是鉤碼的重力,約10N.當(dāng)力傳感器讀數(shù)大于重力時,鉤碼處于超重狀態(tài),即A、D狀態(tài).當(dāng)力傳感器讀數(shù)小于重力時,鉤碼處于失重狀態(tài),即B、C狀態(tài).答案：10

A、D

B、C[例2]如圖6－2－4所示,甲為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖,箱內(nèi)的電阻R1＝20kΩ、R2＝10kΩ、R3＝40kΩ,RT為熱敏電阻,它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示,a、b端電壓Uab≤0時,電壓鑒別器會令開關(guān)S接觸,恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱,使箱內(nèi)溫度升高；當(dāng)a、b端電壓Uab＞0時,電壓鑒別器會令開關(guān)S斷開,停止加熱,則恒溫箱內(nèi)的溫度可保持在 (

)圖6－2－4A．10℃

B．20℃C．35℃ D．45℃[思路點撥]

由題可知,Uab＝0是電熱絲加熱和停止加熱的臨界狀態(tài),根據(jù)串聯(lián)分壓知識可求得Uab＝0時RT的阻值,然后由乙圖讀出對應(yīng)的溫度.[答案]

C[借題發(fā)揮]本題利用熱敏電阻為傳感器,將溫度變化的信號轉(zhuǎn)化為電信號,結(jié)合電子線路來控制加熱電路.正確的電路分析、計算及看懂熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的曲線,是解決本類習(xí)題的關(guān)鍵.2.家用電熱滅蚊器電熱部分的主要部件

是PTC元件,PTC元件是由鈦酸鋇等

導(dǎo)體材料組成的電阻器,其電阻率ρ

與溫度t的關(guān)系如圖6－2－5所示.由

于這種特性,PTC元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能,若電

熱滅蚊器環(huán)境溫度低于t1,以下判斷正確的是圖6－2－5A．通電后,其電功率先增大后減小B．通電后,其電功率先減小后增大C．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時,溫度保持在t1

或t2不變D．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時,溫度保持在

t1～t2間的某一值不變解析：從圖線上可以看出,如果通電前PTC的溫度t＜t1,通電后由于發(fā)熱的緣故,溫度升高致使電阻率減小,發(fā)熱功率將進(jìn)一