高中物理32第6章 2 传感器的应用.docx
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高中物理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)
传感器工作的一般模式
[先填空]
[再思考]
应用传感器的实际工作过程中为什么需要放大电路?
【提示】 因为传感器将非电学量转换为电学量的信号往往很弱,所以一般要通过放大电路放大.
[合作探讨]
探讨1:
如图621所示,是测定液面高低的传感器示意图,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物体,C为导电液体,把传感器接到图示电路中.已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同.如果发现指针正向左偏转,则导电液体的深度h是如何变化的?
并说明电容器的电容的变化.
图621
【提示】 增大,增大.
探讨2:
如图622所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻.此光电计数器的基本工作原理是什么?
图622
【提示】 当光被物体挡住时,R1的电阻增大,电路中的电流减小,R2两端的电压减小,信号处理系统得到低电压,每通过一个物体就获得一次低电压,计数一次.
[核心点击]
1.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.
2.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)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.
1.(2016·长春高二检测)如图623甲所示是一火警报警装置的一部分电路,其中R2是半导体热敏电阻(传感器),它的电阻R随温度t变化关系如图乙所示,该电路的输出端a、b接报警器,当传感器所在处出现火情时,通过电流表的电流I和a、b两端电压U与出现火情前相比( )
甲 乙
图623
A.I变大,U变大 B.I变小,U变小
C.I变小,U变大D.I变大,U变小
【解析】 当传感器所在处出现火情时,温度升高,即R2的阻值减小,故外电阻减小,干路电流增大,内电压、R4两端的电压均增大,故a、b两端电压减小;并联电路的电压减小,通过R3的电流减小,而总电流增大,所以R2上通过的电流增大,故D选项正确.
【答案】 D
2.如图624所示为普通冰箱内温度控制器的结构.铜质的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统,里面充有氯甲烷和它的蒸汽,上述材料就构成了一个温度传感器.膜盒3为扁圆形(图中显示为它的切面),右表面固定,左表面通过小柱体与弹簧片4连接.盒中气体的压强增大时,盒体就会膨胀.测温泡1安装在冰箱的冷藏室中,5、6分别是电路的动触点和静触点,控制制冷压缩机的工作.弹簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9上,连杆9的下端是装在机箱上的轴.凸轮8是由设定温度的旋钮(图中未画出)控制的.逆时针旋转时凸轮连杆上端右移,从而加大对弹簧7的拉力.
图624
(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够开始工作,而当达到设定的低温后又自动停止工作?
(2)为什么凸轮可以改变设定的温度?
【解析】
(1)冰箱内温度较高时,密封系统中的压强增大,盒体膨胀,膜盒3通过小柱体带动弹簧片4使动触点5与静触点6接触,控制压缩机自动开始工作,而当达到设定的低温时弹簧7带动弹簧片4将触点5、6断开,使压缩机停止工作.
(2)凸轮逆时针旋转会加大连杆9对弹簧7的拉力,该拉力与膜盒3共同控制弹簧片4的运动,故凸轮可以改变设定的温度.
【答案】 见解析
3.(2016·济宁高二检测)如图625甲(a)所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路,电源电压恒定.电流表内阻不计,开关闭合后,调节滑动变阻器滑片,使小灯泡发光逐渐增强,测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图甲(b)所示,试根据这一特性由图乙中给定的器材设计一个自动光控电路.
图625
【解析】 由光敏电阻的特性曲线可以看出,当入射光增强时,光敏电阻的阻值减小,流过光敏电阻的电流增大.
根据题意设计的自动光控电路如图所示.控制过程是:
当有光照时,输入电流经过放大器输出一个较大的电流,驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开,当无光照时,输入电流减小,放大器输出电流减小,电磁继电器释放衔铁,使两个触点闭合,控制电路接通,灯开始工作.
【答案】 见解析图
传感器应用问题的分析方法
1.分清主电路和控制电路.
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.
3.敏感元件感知主电路所处的状态,作出相应的反应,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中.
传感器的应用实例
[先填空]
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
―→梁发生弯曲―→
―→
(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,双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同,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_°C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约103_°C时,感温铁氧体失去铁磁性,与永磁体失去吸引力,被弹簧弹开,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
报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、发光三极管和不透明的挡板.
[再判断]
1.应变式力传感器可以用来测量重力,也可用来测牵引力.(√)
2.常温下,电熨斗上、下触点应当是分离的,温度过高时,触点接触.(×)
3.电饭锅内温度达到100℃时,触点分离,切断电源,停止加热.(×)
[后思考]
在机场、车站、码头等人员集散地都设有体温检测点,为什么测体温时一般不用水银温度计,而用红外线测温仪?
【提示】 用水银温度计,测温时间长,同时又容易引起交叉感染,用红外线测温仪测温速度快,也不需要与人体直接接触,又避免了交叉感染,因此用红外线测温仪较好.
[合作探讨]
探讨1:
如图626所示为一冷库中的自动控温设备,容器中是导电液体,其液面与两个电极刚刚接触,试探究分析其自动控温原理.
图626
【提示】 冷库中温度较低时,导电液体体积较小,此时两电极未与导电液体接触,制冷机不工作,当冷库中温度升高,致使导电液体受热膨胀,体积增大,液面升高,当液面与两电极接触时,电路接通,制冷机开始工作,冷库温度降低,导电液体温度降低,液面下降,当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作.
探讨2:
如图627所示是测定位移x的电容式传感器,其工作原理是哪个量的变化,造成其电容的变化?
图627
【提示】 由原理图可知,要测定的位移x发生变化,则电介质进入极板的长度发生变化,从而引起电容的变化,而两极板间距、正对面积及电介质种类均未变化.
[核心点击]
1.电子秤的工作原理:
如图628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,下表面的电阻变小.F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变化就越大.如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上表面应变片两端的电压变大,下表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.外力越大,输出的电压差值也就越大,由电压差值的大小,即可得到外力F的大小.
应变片测力原理 传感器的应用
图628
2.电熨斗的自动控温原理:
其内部装有双金属片温度传感器,如图629所示:
图629
常温下,上下触点应是接触的,但温度过高时,由于双金属片受热膨胀系数不同,上层金属膨胀大,下层金属膨胀小,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,双金属片恢复原状,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.
3.电饭锅工作原理:
电饭锅工作时,按下开关按钮,感温磁体与永磁体接触,两个接线螺钉通过触点相连,电路接通,开始工作,电饭锅内温度升高,当达到103℃时,感温磁体与永磁体分离,带动触点分离,电路断开,不再加热,电饭锅停止工作.
图6210
4.火灾报警器工作原理:
图6211
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.
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6212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6212
有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料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 5.(2016·扬州高二检测)如图6213所示为某种电子秤的原理示意图,AB为一均匀的滑线电阻,阻值为R,长度为L,两边分别有P1、P2两个滑动头,P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动.弹簧处于原长时,P1刚好指着A端,P1与托盘固定相连.若P1、P2间出现电压时,该电压经过放大,通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小.已知弹簧的劲度系数为k,托盘自身质量为m0,电源电动势为E,内阻不计,当地的重力加速度为g.求: 【导学号: 94530094】 图6213 (1)托盘上未放物体时,在托盘自身重力作用下,P1与A端的距离x1; (2)托盘上放有质量为m的物体时,P1与A端的距离x2; (3)在托盘上未放物体时通常先校准零点,其方法是: 调节P2,使P2离A端的距离也为x1,从而使P1、P2间的电压为零.校准零点后,将物体m放在托盘上,试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式. 【解析】 (1)由力的平衡知识有: m0g=kx1,解得x1= . (2)放上物体m重新平衡后: m0g+mg=kx2 解得x2= . (3)托盘的移动带动P1移动,使P1、P2间出现电势差,电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小,由于R为均匀滑线电阻,则其阻值与长度成正比.由闭合电路欧姆定律知: E=IR,由部分电路欧姆定律知: U=IR串(R串为P1、P2间电阻) 由 = 其中x为P1、P2间的距离,则x=x2-x1= 联立解得: m= . 【答案】 (1) (2) (3)m= 6.如图6214所示为一种加速度仪的示意图.质量为m的振子两端连有劲度系数均为k的轻弹簧,电源的电动势为E,不计内阻,滑动变阻器的总阻值为R,有效长度为L,系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中间,这时电压表指针恰好在刻度盘正中间.求: 图6214 (1)系统的加速度a(以向右为正)和电压表读数U的函数关系式; (2)将电压表刻度改为加速度刻度后,其刻度是均匀的还是不均匀的? 为什么? (3)若电压表指针指在满刻度的 位置,此时系统的加速度大小和方向如何? 【解析】 (1)当振子向左偏离中间位置x距离时,由牛顿第二定律得2kx=ma① 电压表的示数为U= E② 由以上两式解得a= (E-2U).③ (2)均匀,因为加速度a与电压表示数U是一次函数(线性关系). (3)当滑动触头滑到最右端时,电压表最大示数Um=E,电压表指针指在满刻度的 位置时,U= E代入③式解得a= 方向向左. 【答案】 (1)a= (E-2U) (2)见解析 (3)a= 方向向左 力传感器问题的分析方法 1.分析传感器中对应物体的受力和运动情况. 2.分析物体的运动及受力情况发生变化之后引起的电学量变化. 3.列出动力学方程和运动学方程. 4.对结果进行讨论. 学业分层测评(十三) (建议用时: 45分钟) [学业达标] 1.下列器件应用力传感器的是( ) A.鼠标器 B.火灾报警器 C.测温仪D.电子秤 【解析】 鼠标器中的敏感元件是红外线接收管,属于光传感器;火灾报警器中的敏感元件是光电三极管,属于光传感器;测温仪用的是温度传感器;电子秤的敏感元件是应变片,是力传感器,D正确. 【答案】 D 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.用遥控器调换电视频道的过程,实际上就是传感器把光信号转换成电信号的过程,下列属于这类传感器的是( ) A.红外报警装置 B.走廊照明灯的声控装置 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】 红外报警装置是传感器把光信号(红外线)转换成电信号,走廊照明灯的声控装置是传感器把声音信号转换成电信号,自动洗衣机中的压力传感装置是传感器把压力信号转换成电信号,电饭煲中控制加热和保温的温控器是传感器把温度信号转换成电信号. 【答案】 A 4.关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是( ) A.应变片是由导体材料制成的 B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大;反之变小 C.传感器输出的是应变片电压 D.外力越大,输出的电压差值越小 【解析】 应变片是由半导体材料制成的,A错误;应变片的表面拉伸时,R值变大,应变片压缩时,R值变小,B正确;传感器输出的是应变片两个电压的差值,外力越大,输出电压差值越大,C、D错误. 【答案】 B 5.(2016·驻马店高二检测)办公大楼的大门能“看到”人的到来或离开而自动开或关,利用的传感器是( ) A.生物传感器B.红外传感器 C.温度传感器D.压力传感器 【解析】 自动门的自动控制要求灵敏、可靠,若用温度控制,人的体温与夏季气温接近,在夏季自动门可能做出错误动作.自动门实际使用的是红外传感器,红外线属于不可见光,人在白天或黑夜均发出红外线,传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机,实现自动开门. 【答案】 B 6.(2016·自贡高二检测)传感器是各种测量和控制系统的“感觉器官”,电梯超载时会自动报警.这种报警系统通常采用的传感器是( ) A.生物传感器B.声控传感器 C.红外传感器D.压力传感器 【解析】 电梯超载时人或物体对升降机底板压力超过不超载时的压力,所以这种报警系统通常采用的传感器是压力传感器,D正确. 【答案】 D 7.(多选)为了保证行车安全和乘客身体健康,动车上装有烟雾报警装置,其原理如图6215所示.M为烟雾传感器,其阻值RM随着烟雾浓度的改变而变化,电阻R为可变电阻.车厢内有人抽烟时,烟雾浓度增大,导致S两端的电压增大,装置发出警报.下列说法正确的是( ) 图6215 A.RM随烟雾浓度的增大而增大 B.RM随烟雾浓度的增大而减小 C.若要提高报警灵敏度可增大R D.若要提高报警灵敏度可减小R 【解析】 S两端电压U增大,故传感器两端电压一定减小.当有烟雾,使传感器电阻变化,即RM变小,则有RM随着烟雾浓度的增大而减小,故A错误,B正确;R越大,M与R并联的电阻R并越接近RM,U增大越明显,导致S上电压变化越明显,故C正确,D错误. 【答案】 BC 8.(2016·宜昌高二检测)如图6216所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在小车上,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的脉冲数为n,累积脉冲数为N.试完成下列问题. 图6216 (1)要测出小车的速度和行程,还必须测量的物理数据有哪些? (2)推导小车速度的表达式; (3)推导小车行程的表达式. 【解析】 (1)小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积.所以还要测量车轮的半径R和齿轮的齿数P. (2)齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为p.已知单位时间内的脉冲数为n,所以单位时间内齿轮转动圈数为 .则有小车速度的表达式v= . (3)小车行程的表达式S= . 【答案】 (1)R P (2) (3) [能力提升] 9.如图6217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,滑片P在A端,滑动变阻器接入电路的有效电阻最大,电流最小;称物体时,在压力作用下使滑片P下滑,滑动变阻器的有效电阻变小,电流变大.这样把重力值转换成电信号,将电流对应的重力值刻在刻度盘上,就可以读出被称物体的重力值.若滑动变阻器上A、B间距离为L,最大阻值等于定值电阻的阻值R0,已知两弹簧的总弹力与形变量成正比,比例系数为k,则所称重物的重力G与电流大小I的关系为( ) 图6217 A.G= kLB.G= kL C.G= kLD.G=kIL 【解析】 设称重物时,在压力作用下使P下滑x, G=kx ① 滑动变阻器有效电阻R=R0- R0 ② 全电路用欧姆定律I= ③ 由①②③得G= kL. 【答案】 A 10.温度传感器广泛应用于家用电器中,它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性来工作的.如图6218甲所示为某装置中的传感器工作原理图,已知电源的电动势E=9.0V,内电阻不计;G为灵敏电流表,其内阻Rg保持不变;R为热敏电阻,其阻值随温度的变化关系如图乙所示.闭合开关S,当R的温度等于20℃时,电流表示数I1=2mA;当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻的温度是( ) 【导学号: 94530095】 图6218 A.60℃B.80℃ C.100℃D.120℃ 【解析】 由图乙可知,当R的温度等于20℃时,热敏电阻的阻值R1=4kΩ,则由I1= 可得Rg=0.5kΩ,当电流I2=3.6mA时,由I2= 可得R2=2kΩ,结合图乙知此时热敏电阻的温度为120℃,故选D. 【答案】 D 11.如图6219甲是某金属材料制成的电阻R随摄氏温度t变化的图象,图中R0表示该电阻在0℃时的电阻值,已知图线的斜率为k.若用该电阻与电池(电动势为E、内阻为r)、理想电流表A、滑动变阻器R′串联起来,连接成如图乙所示的电路.用该电阻做测温探头,把电流表A的电流刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简单的“金属电阻温度计”. 图6219 (1)根据图甲,温度为t(t>0℃)时电阻R的大小为________. (2)在标识“金属电阻温度计”的温度刻度时,需要弄清所测温度和电流的对应关系.请用E、R0、R′(滑动变阻器接入电路的阻值)、k等物理量表示待测温度t与电流I的关系式t=____________________________. (3)如果某次测量时,指针正好指在温度刻度的10℃到20℃的正中央,则测量值________15℃(填“大于”、“小于”或“等于”). 【解析】 (1)图象的斜率为k,纵截距为R0,为一次函数,所以图象的表达式为R=R0+kt. (2)根据闭合回路欧姆定律可得: E=I(R+R′+r) 将R=R0+kt代入可得t= . 【答案】 (1)R0+kt (2)t= (3)小于 12.有一种测量压力的电子秤,其原理如图6220甲所示.E是内阻不计、电动势为6V的电源.R0是一个阻值为400Ω的限流电阻.G是由理想电流表改装成的指针式测力显示器.R是压敏电阻,其阻值可随压力大小的变化而改变,其关系如下表所示.C是一个用来保护显示器的电容器.秤台所受的重力忽略不计. 压力F/N 0 50 100 150 200 250 300 电阻R/Ω 300 280 260 240 220 200 180 (1)在图乙所示的坐标系中画出电阻R随压力F变化的图线,并归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式. 甲 乙 图6220 (2)写出压力与电流的关系式,说明该测力显示器的刻度是否均匀; (3)若电容器的耐压值为5V,该电子秤的量程是多少? 【解析】 (1)要求用描点法画成直线,如图所示. 由图可知R与F成线性关系,即R=kF+b,代入数值得R=300-0.4F. (2)由I= 和R=kF+b可得 F= - F与I不成线性关系,所以刻度不均匀. (3)当电容器两端的电压为5V时,R两端的电压为1V, R= R0= ×400Ω=80Ω Fm= N=550N 所以该电子秤的量程是Fm=550N. 【答案】 (1)如图所示 R=300-0.4F (2)F= - 不均匀 (3)550N
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