1、- 1 -第 2 节传感器的应用1应变式力传感器可用来测量各种力，其中的应变片能把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。2电熨斗因为装有双金属片温度传感器，所以它能够自动控制温度。双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属。3电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。4有一种火灾报警器是利用了光传感器的作用，即利用烟雾对光的散射来工作。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： 金 属 梁自 由 端受 力 F金 属 梁发 生弯 曲应 变 片的 电 阻变 化两 应 变 片 上电 压 的 差 值变
2、 化(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电熨斗 电饭锅敏感元件 双金属片 感温铁氧体- 2 -工作原理温度变化时，由于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(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，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：如图所示，发光二极管 LED、光电三极管和不透明的挡
3、板。(2)工作原理1自主思考判一判(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。()(6)火灾报警器是温度传感器。()2合作探究议一议(1)生活中与温度控制相关的家用电器有很多，试举例说明。提示：电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、消毒柜等。- 3 -(2)分析传感器问题应注意哪些问题？提示：应注意四点：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。输出信号分析：明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号和输出信号，以及输入信号与输出信号间的变
4、化规律。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。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的过程。(3)如果用电饭锅烧水，水沸腾后能否自动断电？提示：电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体。如果用电饭锅烧水，水沸腾后水温保持 100 ，不会再升高，而使感温铁氧体失去磁性的温度为 103 ，故不能自动断电。力传感器的应用典例 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
5、两根相同的轻弹簧夹着一个质量为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 10 N(取 g10 m/s 2)。(1)若传感器 a 的示数为 14 N， b 的示数为 6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向。(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器 a 的示数为零？思路点拨 传感器上所显示出的力的大小，即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小。解析 (1)
6、如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力 F114 N，右侧弹簧对滑块向左的推力 F26.0 N，滑块所受合力产生加速度a1，- 4 -根据牛顿第二定律有 F1 F2 ma1，得 a1 m/s24.0 m/s 2。F1 F2m 14 6.02.0a1与 F1同方向，即向前(向右)。(2)传感器 a 的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力 F10，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 F220 N。滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得 F 合 F2 ma2，得 a2 10 m/s 2，负号表示方向向后(向左)。F2m答案 (1)4.0 m/s 2 向右 (2)
7、以方向向左大小为 10 m/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。 1多选下列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上的电压D外力越大，输出的电压值也越大解析：选 BD 应变片多用半导体材料制成，故选项 A 错误。当应变片拉伸时，其电阻变大，选项 B 正确。传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值，并且随着外
8、力的增大，输出的电压差值越大，故选项 C 错误，选项 D 正确。2如图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：- 5 -(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。(
9、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 。m0gk(2)放上物体 m 重新平衡后： m0g mg kx2，解得 x2 。 m m0 gk(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
10、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，R串R xL则 x x2 x1mgk联立解得： m 。kLUgE答案：(1) (2) (3) mm0gk m m0 gk kLUgE温度传感器和光传感器的应用典例 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。在图甲中，电源的电动势 E9.0 V，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。(1)试写
11、出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式。(2)闭合开关 S，当 R 的温度等于 40 时，电流表示数 I12.25 mA。则当电流表的示数 I23.6 mA 时，热敏电阻 R 的温度是多少摄氏度？思路点拨 本题的解答思路为- 6 - 由 图 知 热 敏 电 阻为 负 温 度 系 数 热敏 电 阻由 温 度 与 电 阻 成线 性 关 系 求 出 对应 的 电 阻由 欧 姆 定 律得 电 流 对 应的 温 度 值解析 (1)题中的 Rt 图像是直线，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。由图像知 t10 时， R14.25 k，得 b4.25，再根据 t2120 时，R
12、22 k，得 k0.018 75，所以 R 与 t 的关系式为 R0.018 75 t4.25(k)。(2)根据题中的 Rt 图像， t340 时，热敏电阻的阻值 R33.5 k，有E I1(r R0 R3)；电流 I23.6 mA 时，设热敏电阻的阻值为 R4，有 E I2(r R0 R4)，代入数据可解得 R42 k，由题中的 Rt 图像或将 R42 k 代入 R 与 t 的关系式可得t4120 。答案 (1) R0.018 75 t4.25(k) (2)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
13、关温度传感器的应用问题时应注意区分这一性质。 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：选 AB 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。2(2016全国卷)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过 60 时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过 Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为 999.9
14、 )，直流电源(输出电压为 U，内阻不计)，滑动变阻器 R1(最大阻值为 1 000 )，滑动变阻器 R2(最大阻值为 2 000 )，单刀双掷开关一个，导线若干。在室温下对系统进行调节。已知 U 约为 18 V， Ic约为 10 mA；流过报警器的电流超过 20 mA 时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在 60 时阻值为 650.0 。(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。- 7 -(2)电路中应选用滑动变阻器_(填“ R1”或“ R2”)。(3)按照下列步骤调节此报警系统：电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为_；滑动变阻器的滑片应置于_
15、(填“ a”或“ b”)端附近，不能置于另一端的原因是_。将开关向_(填“ c”或“ d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。解析：(1)电路图连接如图。(2)报警器开始报警时，对整个回路有U Ic(R 滑 R 热 )代入数据可得 R 滑 1 150.0 ，因此滑动变阻器应选择 R2。(3)在调节过程中，电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用，电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值，即为 650.0 。滑动变阻器在电路中为限流接法，滑片应置于 b端附近，若置于另一端 a 时，闭合开关，则电路中的电流 I A27
16、.7 mA，超过报警18650.0器最大电流 20 mA，报警器可能损坏。 开关应先向 c 端闭合，移动滑动变阻器的滑片，直至报警器开始报警为止。答案：(1)连线见解析图 (2) R2 (3)650.0 b 接通电源后，流过报警器的电流会超过 20 mA，报警器可能损坏 c 报警器开始报警1下列器件是应用力传感器的是( )- 8 -A鼠标器 B火灾报警器C测温仪 D电子秤解析：选 D 鼠标器中的传感器是红外线接收管，属于光传感器；火灾报警器中传感器是光电三极管，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。2唱卡拉 OK 用的话筒，内有传感器，其中有一种
17、是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁铁的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法中正确的是( )A该传感器是根据电流的磁效应工作的B该传感器是根据电磁感应原理工作的C膜片振动时，穿过线圈的磁通量不变D膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势解析：选 B 当声波使膜片前后振动时，线圈切割磁感线产生感应电流，将声音信号转化为电信号，是根据电磁感应原理工作的，A 错误，B 正确；膜片随着声波而周期性振动，穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的，C 错误；膜片振动时，金属线圈切割磁感线，会产生感应电动势，D 错误。3多选如图所示为某商厦安装
18、的光敏电阻自动计数器的示意图。其中 A 为光源， B 为由电动机带动匀速运行的自动扶梯， R1为光敏电阻， R2为定值电阻。每当扶梯上有顾客经过挡住由 A 射向 R1的光线时，计数器就计数一次。下列说法正确的是( )A当有光照射 R1时，信号处理系统获得低电压B当有光照射 R1时，信号处理系统获得高电压C信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析：选 BC 当光线照射 R1时， R1阻值减小， R 总 减小，且电源电压不变，由闭合电路欧姆定律得 I ，电路中的电流增大， R2是定值电阻， U2 IR2， R2两端电压增大，信号处ER总理系统获得高电压，所
19、以选项 A 错误，B 正确；根据前面分析可知，每当有人经过时，即没有光照时，信号处理系统获得低电压，信号处理系统计数一次，即信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，所以选项 C 正确，D 错误。4下列说法正确的是( )A电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁- 9 -B氧化铁在常温下具有铁磁性，温度很高时失去铁磁性C用电饭锅烧水，水开时能自动断电D用电饭锅煮饭时，若温控开关自动断电后，它不能自动复位解析：选 D 电饭锅的主要元件为感温铁氧体，它在 103 时失去铁磁性，选项 A、B均错；用电饭锅烧水时，在标准大气压下，水温最高为 100 ，电饭锅不会自动断电，若无人控制，则会直到水全部蒸发后才
20、会断电，选项 C 错；电饭锅开关自动断电后只能手动复位，选项 D 正确。5有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是( )A两个传感器都是光电传感器B两个传感器分别是光电传感器和温度传感器C两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器D只有光照和温度都适合时排气扇才能工作解析：选 B 题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个满足条件即可，A、C、D 错，B 对。6.在如图所示的电路中，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，发出的
21、光越强)，且 R 与 D 间距不变，下列说法正确的是( )A当滑动触头 P 向左移动时，L 消耗的功率增大B当滑动触头 P 向左移动时，L 消耗的功率减小C当滑动触头 P 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 P，L 消耗的功率都不变解析：选 A 当 P 向左移动，滑动变阻器接入电路的电阻减小，通过二极管的电流增大，发光变强，光敏电阻阻值减小，灯泡中电流增大，L 消耗的功率增大；同理可知 P 向右移动时，L 消耗的功率减小。7.惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计。加速度计构造原理的示意图如图所示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质
22、量为 m 的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为 k 的弹簧相连；两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止，弹簧处于自然长度，滑块上有指针可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导。设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离 O 点的距离为 s，则这段时间内导弹的加速度( )A方向向左，大小为 B方向向右，大小为ksm ksm- 10 -C方向向左，大小为 D方向向右，大小为2ksm 2ksm解析：选 D 当指针向左偏离 O 点的距离为 s 时，与滑块相连的左边弹簧被压缩 s，右边弹簧被拉伸 s，因而弹簧对滑块的弹力的大小均为 ks，且方向均水平向右，即滑块受到的合力大小为 2ks，方向
23、水平向右。由牛顿第二定律可知选项 D 正确。8.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。(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
24、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 。nP 2 nRP(3)小车行程的表达式 s 。2 NRP答案：(1)车轮半径 R 和齿轮齿数 P(2)v (3) s2 nRP 2 NRP9多选计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘时，激光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息，光敏电阻自动计数器的示意图如图所示，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( )A当有光照
25、射 R1时，处理系统获得高电压B当有光照射 R1时，处理系统获得低电压C信号处理系统每获得一次低电压就计数一次- 11 -D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析：选 AD R1、 R2和电源组成一个闭合电路，当激光照到光敏电阻 R1时， R1的阻值变小，总电流变大，则 R2两端获得高电压，因此只有 R2两端获得高电压时，处理系统才能进行信号处理，故选 A、D。10动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象。图 1 是动圈式话筒的原理图，图2 是磁带录音机的录音、放音原理图，由图可知下列选项叙述错误的是( )图 1图 2A话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流B录音机放音时变化的磁场在
26、静止的线圈里产生感应电流C录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场D录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场解析：选 C 话筒的工作原理是声波迫使金属线圈在磁场中振动产生感应电流，A 正确。录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，D 正确。磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放 大电路后再送到扬声器中，B 正确，C 错误。11.一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随 t 变化 的关系如图中实线所示，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范围内波动，易损
27、坏衣物。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所示。根据图线分析：(1)为什么处于冷态的 PTC 熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？(2)通电一段时间电熨斗温度 t 自动稳定在_ t_范围之内。(填下标数字)- 12 -解析：(1)由于冷态时 PTC 材料电阻较小，由 P 知，其发热功率较大，所以升温快。U2R(2)从题图上看出，温度较低时，电阻较小，热功率较大，所以发热快于散热，温度升高，电阻值迅速增大，相应发热功率减小，当发热功率小于散热功率时，电阻温度降低，电阻值减小，发热
28、功率会相应增大，故当发热功率等于散热功率时，温度会稳定在图中T6 T7。答案：见解析12如图所示是电饭煲的电路图，S 1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103 ) 时，会自动断开。 S2是一个自动温控开关，当温度低于 70 时，会自动闭合；温度高于 80 时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。分流电阻 R1 R2500 ，加热电阻丝 R350 ，两灯电阻不计。(1)分析电饭煲的工作原理。(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。(3)简要回答，如果不闭合开关 S1，能将饭煮熟吗？解析：(1)电饭煲接上电源，S 2自动闭合，同时手动闭合 S
29、1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态。加热到 80 时，S 2自动断开，S 1仍闭合。水烧干后，温度升高到“居里点”103 时，开关 S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态。由于散热，待温度降至 70 时，S 2自动闭合，电饭煲重新加热。温度达到 80 时，S2又自动断开，再次处于保温状态，如此循环。(2)加热时电饭煲消耗的电功率 P1 ，U2R并保温时电饭煲消耗的电功率 P2 ，U2R1 R并两式中 R 并 。R2R3R2 R3 50050500 50 50011从而有 。P1P2 R1 R并R并500 5001150011 121(3)如果不闭合开关 S1，开始 S2是闭合的， R1被短路，功率为 P1；当温度上升到 80 时，S 2自动断开，功率降为 P2；温度降低到 70 ，S 2自动闭合 ，温度只能在 7080 - 13 -之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。答案：(1)见解析 (2)121 (3)见解析
