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第6章 第2节传感器的应用

发布时间:2013-09-18 16:30:19  

第六章 传感器

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第六章 传感器

第2节

传感器的应用
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第六章 传感器

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教材要点解读
对应学生用书P2

传感器的应用分析
1.传感器工作的一般模式
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第六章 传感器

2.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.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.
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第六章 传感器

3.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. (2)输出信号分析: 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.
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第六章 传感器

(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.
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第六章 传感器

传感器的应用实例 1.力传感器的应用——电子秤 (1)日常生活中的电子秤使用的测力装置是力传感

器.常用的是应变式力传感器.
(2)应变式力传感器的组成:由金属梁和应变片组 成.应变片多用半导体材料制成,是感知力大小的敏感 元件.

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第六章 传感器

(3)工作原理:如图所示,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,下表面应变片的电阻变小.F越 大,弯曲形变越大,应变片的阻值变化越大.如果让应 变片中通过的电流保持恒定,那么上面应变片两端的电 压变大,下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.力F越大,输出的电压差值也 就越大.
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第六章 传感器

应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电 学量.
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第六章 传感器

2.温度传感器的应用——电熨斗 (1)温度传感器

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,它们可以把热信号转换为电信号进行自 动控制. (2)双金属片 把两种不同热膨胀系数的金属片贴合在一起,制成 一条双金属片,温度变化时,因为两种金属片伸长不一 样而发生弯曲.
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(3)电熨斗的结构 如图所示.

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第六章 传感器

(4)工作原理

电熨斗是利用内部装有的双金属片温度传感器工作
的. ①电熨斗通过电热丝对电熨斗的金属底板进行加 热,两根导线分别接在开关两端.
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第六章 传感器

②电熨斗内部装有双金属片温度传感器,这种传感

器的作用是控制电路的通断 ,如上图所示.常温下,
上、下触点是接触的,但温度过高时,由于双金属片受 热膨胀系数不同,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小, 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,双金属片恢复其原来状态,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.
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第六章 传感器

用电熨斗熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度,熨烫丝 绸衣物需要设定较低的温度.通过调温旋钮调节升降螺丝

的高度来实现不同温度的设定.如需设定的温度较高,则
应使升降螺丝下降;反之,则应升高.

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第六章 传感器

3.温度传感器的应用——电饭锅 (1)感温铁氧体 ①组成:氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而

成的.
②特点:常温下具有铁磁性,能够被磁体吸引,温 度达到103 ℃,失去磁性. ③居里点:又称居里温度,该材料的居里点为103 ℃.

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第六章 传感器

(2)电饭锅的构造 如图所示.

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第六章 传感器

(3)电饭锅的工作原理

开始煮饭时,用手压下开关按钮,永磁体与感温磁
体相吸,触点接通,电饭锅通电加热,水沸腾后,由于 锅内保持100 ℃不变,故感温磁体继续与永磁体相吸,直 到饭

熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度达 到居里点103 ℃时,感温磁体失去磁性,在弹簧作用下, 永磁体被弹开,触点分离,切断电源,从而停止加热.
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第六章 传感器

如果电饭锅用于烧水,在水沸腾后不能自动断电, 只有水烧干后,温度升高到103 ℃才能自动断电.
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第六章 传感器

4.光传感器的应用——火灾报警器

(1)组成:发光二极管LED、光电三极管和不透明的
挡板. (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.
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解题方法指导
对应学生用书P55

力传感器的应用 用如图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时的加速度.该装置是在矩形箱
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子的前、后壁上各安装一个压力传感器A和B.用两根相同
的轻弹簧夹着一个质量m=2.0 kg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 的大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出.

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第六章 传感器

当弹簧作用在传感器上的力为压力时,示数为正; 当弹簧作用在传感器上的力为拉力时,示数为负.现将

装置沿运动方向固定在汽车上.汽车静止时,A、B的示
数均为10 N.(g取10 m/s2)
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第六章 传感器

(1)若传感器A的示数为14.0 N,B的示数为6.0 N,求 此时汽车的加速度大小和方向;

(2)当汽车以什么样的加速度运动时,传感器A的示
数为零?
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【分析】

传感器A、B示数 ? A、B处所受压力

? 滑块的受力 ? 滑块的加速度

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第六章 传感器

【解析】

(1)根据题意可知,左侧弹簧对滑块向右的

推力 F1=14.0 N,右侧弹簧对滑块向左的推力 F2=6.0 N, 滑块所受合力产生加速度 a1,根据牛顿第二定律有 F1-F2 F1-F2 14.0-6.0 =ma1 ,得 a1 = m = m/s2 =4 m/s2 ,方向向 2.0 右.即 A 指向 B 如图所示.
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第六章 传感器

(2)A 传感器的读数恰为零,即左侧弹簧的

弹力 F1′= 0.因两弹簧相同,左弹簧伸长多少,右弹簧就缩短多少,所 以右弹簧的弹力变为 F2′=20 N.规定汽车运动的方向为 F2′ 正,由牛顿第二定律得 F=F2′=ma2,得 a2= m =-10 m/s2,负号表示方向向后(向左).
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【答案】

(1)4 m/s2,方向向右即A指向B

(2)汽车a=10 m/s2;方向向左即B指向A

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第六章 传感器

【方法总结】

力学传感器的分析方法
(1)分析清楚力传感器的工作原理,明确装置是如何 将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关 键. (2)涉及电路计算时,注意欧姆定律及分压原理的应 用.
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第六章 传感器

某学生为了测量一物体的质量,找 到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面 的压力(比例系数为k).如图所示,测量时先调节输入端

的电压,使转换器空载时的输出电压为0,而后在其受压
面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电 压U.现有下列器材:力电转换器,质量为m0 的砝码,电 压表,滑动变阻器,干电池各一个,开关及导线若干, 待测物体(可置于力电转换器的受压面上).请完成对该物
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体质量的测量.

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第六章 传感器

(1)设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可 调,并且使电压的调节范围尽可能大; (2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测 物体的质量m.

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解析:(1)设计电路如图所示.由于要求转换器空载

时的输出电压为0,所以左侧电路采用分压式电路.

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第六章 传感器

(2)测量步骤与结果:

①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零;
②将砝码放在转换器上,记下输出电压U0; ③将待测物放在转换器上,记下输出电压U. 由U0=km0g,得k=U0/m0g U=kmg,所以m=m0U/U0. 答案:(1)电路如解析图所示 (2)m=m0U/U0
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第六章 传感器

温度传感器的工作原理的分析 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( )
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第六章 传

感器

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
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【分析】

发热功率 明确环 温度升高后 等于散热 ―→ ―→ 境温度 电阻率的变化 功率的温 度范围

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第六章 传感器

【解析】

从图线上可以看出,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.综上分析可知,本题的正确选项是A、D, 即温度控制点在图象的两个极值点之间.故选AD. 【答案】 AD
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第六章 传感器

【方法总结】

(1)明确所用敏感元件的特征.
(2)注意串、并联电路的分析与计算.
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第六章 传感器

如图所示,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=20 kΩ、R2=10 kΩ、R3=40 kΩ,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接触,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
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可保持在(

)

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A.10 ℃ C.30 ℃

B.20 ℃ D.45 ℃

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第六章 传感器

解析:通过审题可知 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.由电路分析可知,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, R2 Rt 则 φa= U, b= φ U, 其中 U 为电源的路端电压, R1+R2 R3+Rt R2 Rt 令 φa=φb, Uab=0, 即 则可得 = , 代入数据得 Rt=20 kΩ, R1 R3 查表得对应的温度为 30 ℃,故本题选项 C 正确.
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答案:C
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第六章 传感器

光传感器的应用 如图所示,电源两端的电压恒定,L为小

灯 泡,R为光敏电阻,D为发光二极管(电流越大,发光越 强),且R与D距离不变,下列说法中正确的是( )
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第六章 传感器

A.当滑动触头向左移动时,L消耗的功率增大 B.当滑动触头向左移动时,L消耗的功率减小

C.当滑动触头向右移动时,L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑动触头,L消耗的功率不变 【分析】 由滑动触头的移动方向可判断出流过二 极管电流的变化情况(即二极管发光强弱的变化情况),进 而判断出光敏电阻R的变化情况,最后,根据串联电路的 有关知识分析灯泡L消耗功率的变化情况.
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第六章 传感器

【解析】

电源电压恒定,也就是说,并联电路两

端的电压恒定,当滑动触头向左移动时,发光二极管发

光变强,光敏电阻的电阻变小,所以电流变大,则L的功
率变大. 【答案】 A 【方法总结】 光传感器是重要的传感器之一,往往用来制作路灯 的自动开关.处理这类问题的关键是:抓住光敏元件的 特点,即光照强度增大(或减小)引起光敏元件阻值变小 (或变大).
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第六章 传感器

如图所示为一实验小车中利 用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图.A为光源,B

为光电接收器,A、B均固定在车身上,C为小车的车
轮,D为与C同轴相连的齿轮.车轮转动时,A发出的光 束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B接收 并转换成电信号,由电子电路记录和显示.若实验显示 单位时间内脉冲数为n,累计脉冲数为N,则要测出小车 的速度和行程还必须测量的物理量和数据是________; 小车速度的表达式为v=________;行程的表达式为s= ________.
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第六章 传感器

解析:根据速度的意义和车正常行驶的情况,应有 v= 2πRf,其中 R 为车轮的半径,f 为单位时间内车轮转过的圈 数;若车轮的齿数为 P,则转一圈应有 P 个脉冲被 B 接收 n 2πRn 到,因此有 f=P,代入上式,有 v= P .
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第六章 传感器

同样,根据行程的意义,应有 s=2πRf,其中 f 为整个 N 2πRN 行程中车轮转过的圈数;而 f= P ,所以 s= P .可见,还 必须测量的物理量和数据是车轮的半径 R 和齿轮齿数 P, 速 度和行程的表达式如上面两式所示.
2πRn 2πRN 答案:车轮的半径 R 和齿轮齿数 P P P
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第六章 传感器

默读联想记忆
对应学生用书P57

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第六章 传感器

课堂巩固训练
对应学生用书P57

1.下列元件利用了光传感器的是( A.火灾报警器 B.电饭锅

)
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C.测温仪

D.加速度计

解析:火灾报警器用的光电三极管,A对;电饭锅和 测温仪用的是温度传感器,B、C错;加速度计用的力传 感器,D错;故选A. 答案:A
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第六章 传感器

2.如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火 灾报警器的结构原理图:罩内装有发光二极管LED、光

电三极管和不透明的挡板.平时光电三极管接收不到
LED发出的光,呈现高电阻状态,发生火灾时,下列说 法正确的是( )
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第六章 传感器

A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电阻

更大,检测电路检测出变化发出警报
B.光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测 出变化发出警报 C.进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到 光电三极管上,电阻变小,发出警报 D.以上说法均不正确
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第六章 传感器

解析:由火灾报警器的原理可知,发生火灾时烟雾

进入罩内,使光发生散射,部分光线照在光电三极管
上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化, 发出警报,C对. 答案:C
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第六章 传感器

3.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上是电视 机中的传感器把光信号转化为电信号的过程.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.电饭锅中控制加热和保温的温控器 解析:遥控器发出红外线,电视机中的传感器感知 红外线是红外线传感器,所以A选项正确. 答案:A
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第六章 传感器

4.如图是电熨斗温度自动控制装置.

(1)常温时,上、下触点应是分离,还是接触? (2)双金属片温度升高时,哪一层形变大? (3)假设原来温度上升到80 ℃时,断开电源,现在要 求60 ℃时断开电源,应怎样调节调温旋钮?
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第六章 传感器

解析:(1)常温时,上下触点接触,使电路接通,电 热丝工作. (2)双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属,所

以上面一层形变大.
(3)双

金属片由于受热而膨胀,但因双金属片上层金 属的膨胀系数大于下层金属,使双金属片向下弯曲,上 下触点脱离,电路断开,因此,应向上调节调温旋钮, 双金属片受热时,易使触点分离.
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答案:见解析

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为了巩固和提升所学内容,请使用“课 后强化演练”。
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第六章 传感器

课后强化演练
对应学生用书课后P15

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