1、第 2 节 传感器的应用1传感器应用的一般模式：_.2电子秤由_、电压放大器、模数转换器、微处理器和数字显示器组成电阻应变片受到力的作用，它的_会发生变化，从而引起上下表面的电压差发生变化把应变片放到合适的电路中，它能够把物体的_这个力学量转换为_这个电学量，因而电子秤是_传感器的应用3电饭锅中的敏感元件为_，它具有这样的性质：常温下具有_，能够被磁体吸引，当温度上升到约 103时，就_，不能被磁体吸引，这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点” ，电饭锅是温度传感器的应用4传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感
2、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5下列器件是应用力传感器的是( )A鼠标器 B火灾报警器C测温仪 D电子秤6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【概念规律练】知识点一 力传感器的应用1压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图 1 甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体 m，升降机静止时电流表示数为 I0.某过程中电流表的示数如
3、图乙所示，则在此过程中( )图 1A物体处于失重状态B物体处于超重状态C升降机一定向上做匀加速运动D升降机可能向下做匀减速运动2传感器是一种采集信息的重要器件，如图 2 所示的是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力 F 作用于可动膜片的电极上时，以下说法中正确的是( )图 2若 F 向上压膜片电极，电路中有从 a 到 b 的电流若 F 向上压膜片电极，电路中有从 b 到 a 的电流若 F 向上压膜片电极，电路中不会出现电流若电流表有示数，则说明压力 F 发生变化若电流表有示数，则说明压力 F 不发生变化A B C D知识点二 温度传感器的应用3关于电饭锅的说法正确的是( )A电饭锅中的温度传
4、感器其主要元件是氧化铁B铁氧体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，温控开关自动断电后，它不能自动复位4如图 3 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，S 2 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R1R 2500 ，加热电阻丝 R350 ，两灯电阻不计图 3(1)分析电饭煲的工作原理(2)简要回答，如果不闭合开关 S1，能将饭煮熟吗？(3)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之
5、比知识点三 光传感器的应用5在如图 4 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，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强 )，且 R 与 LED 之间的距离不变，下列说法正确的是( )图 4A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6如图 5 为烟雾散射式火灾报警器，它主要由带孔的外罩，发光二极管 LED、光电三极管及不透明的挡板组成，请简述它的工作原理图 5【方法技巧练】传感器问题的分析技巧7电熨斗在达到设定的温度
6、后就不再升温，当温度降低时又会继续加热，使它总与设定的温度相差不多在熨烫不同的织物时，设定的温度可以不同，进行这样的控制，靠的是温度传感器电熨斗中装有双金属片温度传感器，这种双金属片的作用是控制电路的通断，如图 6 所示为电熨斗的结构图，图中双金属片上层金属的膨胀系数大于下层金属，请结合所学知识回答以下问题：图 6(1)常温下，上、下触点应当是接触的还是分离的？当温度过高时双金属片将起怎样的作用？(2)熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何利用调温旋钮来实现的？8如图 7 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、P 2
7、两个滑动头，P 1 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，P 1 刚好指着 A 端，P 1 与托盘固定相连，若 P1、P 2 间出现电压，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 ，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：图 7(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P 1 离 A 的距离 x1；(2)托盘上放有质量为 m 的物体时，P 1 离 A 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 的距离也为x1，从而使 P1、
8、 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、P 2 间的电压 U 之间的函数关系式1关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是( )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，输出的电压差值也越大2电子秤使用的是( )A超声波传感器 B压力传感器C温度传感器 D红外传感器3在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是( )A光传感器 B温度传感器C声传感器 D压力传感器4下列器件不是应用温度传感器的是( )A电熨斗 B话筒C电饭锅 D测温仪5. 惯性制导系
9、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和原理的示意图如图 8 所示：沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为 m 的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为 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 x，则这段时间内导弹的加速度( )图 8A方向向左，大小为 x/mB方向向右，大小为 x/mC方向向左，大小为 2 x/mD方向向右，大小为 2 x/m6如图 9 所示为一种自动跳闸的闸刀开关，O 是转动轴，A 是
10、绝缘手柄，C 是闸刀卡口，M、 N 接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、B 1 T 的匀强磁场中，CO 间距离为 10 cm，当磁场力为 0.2 N 时，闸刀开关会自动跳开则要使闸刀开关能跳开，CO 中通过的电流的大小和方向为( )图 9A电流方向 COB电流方向 OCC电流大小为 1 A D电流大小为 0.5 A7利用传感器和计算机可以研究快速变化的力的大小实验时，把图 10 甲中的小球举高到绳子的悬点 O 处，然后让小球自由下落用这种方法获得的弹性绳的拉力随时间的变化图线如图乙所示根据图线所提供的信息，以下判断正确的是( )图 10At 2 时刻小球所处位置是运动中最高点Bt 1 t2 期间小
11、球速度先增大后减小Ct 3 时刻小球动能最小Dt 2 与 t5 时刻小球速度大小不同8如图 11 所示，两块水平放置的金属板距离为 d，用导线、电键 与一个 n 匝的线圈连接，线圈置于方向竖直向上的变化磁场 B 中两板间放一台小压力传感器，压力传感器上表面静止放置一个质量为 m、电荷量为q 的小球 断开时传感器上有示数， 闭合时传感器上恰好无示数则线圈中的磁场 B 的变化情况和磁通量变化率分别是( )图 11A正在增加， B正在减弱， t mgdq t mgdnqC正在减弱， D正在增加， t mgdq t mgdnq题 号 1 2 3 4 5 6 7 8答 案9一般的电熨斗用合金丝做发热元件
12、，合金丝电阻随温度 t 变化的关系如图 12 中实线所示由于环境温度以及熨烫的衣服厚度、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，易损坏衣物有一种用主要成分为 BaTiO3，被称为“PTC”的特殊材料做发热元件的电熨斗，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 11 中实线 所示根据图线分析：图 12(1)为什么处于冷态的 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_t _范围之内10青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现
13、自动控制光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强(如白天) 时电阻几乎为 0：照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开电磁开关的内部结构如图 13 所示.1、2 两接线柱之间是励磁线圈，3、4 两接线柱分别与弹簧片和触点连接当励磁线圈中电流大于 50 mA 时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4 断开；电流小于 50 mA 时， 3、4 接通励磁线圈中允许通过的最大电流为 100 mA.图 13(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图光敏电阻 R1，符号灯泡 L，
14、额定功率 40 W，额定电压 36 V，符号保护电阻 R2，符号电磁开关，符号蓄电池 E，电压 36 V，内阻很小；开关 S，导线若干(2)回答下列问题：如果励磁线圈的电阻为 200 ，励磁线圈允许加的最大电压为_V，保护电阻 R2 的阻值范围为_ .在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4 之间从断开变为接通为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明任意举出一个其它的电磁铁应用的例子第 2 节 传感器的应用 答案课前预习练放大(转换) 电路放大( 转换) 电路执行机构(或显示系统)2应变片 电阻 形变 电压 力3感温铁氧体 铁磁性
15、 失去磁性4C 空调机根据温度调节工作状态，所以内部使用了温度传感器，故 C 正确 5D 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 6A 遥控器发出红外线，电视中的传感器感知红外线，是红外线传感器，所以 A选项正确 课堂探究练1BD 由乙图知电流强度变为原来的二倍，而加在压敏电阻两端的电压不变，说明压敏电阻的阻值减小，即物体对压敏电阻的压力增大，物体所受支持力大于重力，升降机匀加速上升或匀减速下降，处于超重状态，故选 B、D. 2A 当 F 向上压膜片电极时，板间距离减小，
16、电容器的电容将增大当 F 变化时，电容变化，而板间电压不变，由 QCU，故带电荷量 Q 发生变化，电容器将发生充、放电现象，回路中有电流，电流计有示数反之，电流计有示数时，压力 F 必发生变化 点评 力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值大小，可以得知外力的大小3BD 电饭锅中的温度传感器其主要元件是铁氧体，故 A 选项错，B 选项正确因水开时温度约为 100，达不到居里温度，故不能自动断电，则选项 C 错温控开关只能手动闭合，故 D 正确 4(1)见解析 (2) 不能 (3)121解析 (1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S 2 自动闭合
17、，同时手动闭合 S1，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；水烧开后，温度升高到 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，S 2 又自动断开，再次处于保温状态(2)如果不闭合开关 S1，则不能将饭煮熟，因为只能加热到 80.(3)加热时电饭煲消耗的电功率为 P1 ，保温时电饭煲消耗的电功率U2R并P2 ，两式中 R 并 .从而有U2R1 R并 R2R3R2 R3 50050500 50P1P 2 121.R1 R并R并 50
18、0 500/11500/11点评 电饭煲的工作过程：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持 100不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点 103”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热如果用电饭煲烧水，水沸腾后，锅内保持 100不变，温度低于“居里点 103” ，电饭煲不能自动断电只有水烧干后，温度升高到 103才能自动断电因此，电饭煲用来烧水不能实现自动控温5A 滑动触头 P 左移，使其
19、电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻 R 减小，最终达到增大流过灯泡的电流的效果 6见解析解析 使用时发光二极管处于发光状态，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，就会发出警报点评 发光二极管具有单向导电性，导电时还能发光普通二极管只具有单向导电性7(1)常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片上、下表面受热膨胀系数不同，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，双金属片恢复原状，重新
20、接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用(2)熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的位置，达到设定不同温度的目的8(1) (2) (3)m Um0gk m m0gk kLgE解析 托盘的移动带动 P1 移动，使 P1、P 2 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 为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比(1)由力的平衡知识知 m0g x1，解得 x1m0gk(2)放上重物重新平衡后 m0g mg x2解得 x2m m0gk(3)由闭合电路欧姆定律知 EIR，由部分电路欧姆定律
21、知 UIR 串 ，由 ，其中 x 为 P1、P 2 间的距离，则 xx 2x 1R串R xL mgk联立解得 m UkLgE方法总结 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(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课后巩固练1BD 应变片多用半导
22、体材料制成，故选项 A 错，B 对传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故 C 错，D 对 2B3D 当电梯门碰到人或其他障碍物时立即停止关门以防挤伤人，故为压力传感器 4B5D 滑块随导弹一起做加速运动，向左偏离 O 点的距离为 x，使左侧弹簧被压缩，右侧弹簧被拉长，则滑块所受合力为 2 x，方向向右，故加速度方向向右由牛顿第二定律得：2 xma ，滑块加速度大小为：a 2 x/m，故选 D. C，由 B 得 I 2 AC，由 B 得 I 2 A FIL FBL FIL FBL7B 小球下落的轨迹如右图所示，B 处为绳子原长处，C 处为小球重力
23、与绳上拉力相等处，D 处为小球下落的最低点，在 Ft 图中，0 t1 小球在 OB 间下落，t 1 t2 小球在 BD 间下落，t2 t3 小球由 D 回到 B 处，t 3 t4 小球在 BO 间上升，而后下落至 B 点由 Ft 图知，小球在t2 时刻下落到最大距离，然后最大距离在逐渐减小，由以上分析知，小球的最大速度出现在 C 点，对应于 t1 t2 之间， A 错，B 对，小球动能最小出现在 t2 时刻或 t3 t4 间某时刻，C错误t 2 和 t5 分别对应小球先后两次下落过程中经过最低点的时刻，速度大小为零， D 错误正确选项为 B. 8D 闭合时传感器上恰好无示数，说明小球受竖直向上
24、的电场力，且电场力大小等于重力由楞次定律可判断磁场 B 正在增强，根据法拉第电磁感应定律 En U，t又 qmg 得 ，故 D 正确 Ud t mgdnq9(1)见解析 (2) T6 T 7解析 (1)由于冷态时 PTC 材料电阻很小，故由 P 知，其发热功率很大，所以升U2R温很快(2)在 T6 T7 之间，电熨斗放出的热量和产生的热量才有可能相等，达到热平衡状态，所以电熨斗温度 t 自动地稳定在 T6t T 7 范围之内10(1)见解析 (2) 20 160 320把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4 之间接通；不吸合时，3、4 之间断开电磁起重机解析 (1)要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时路灯熄灭，光敏电阻应与1、2 串联，3、4 与路灯串联，则电路图如图右所示(2)由 UIR 得励磁线圈允许加的最大电压 UmI mR0.1200 V20 V；依据允许通过励磁线圈的电流最大值和最小值计算得 R2min 160 ，R 2max E UmIm 160.1 E UmI 320 ，因此保护电阻 R2 的阻值范围为 160 320 ；160.05把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4 之间接通；不吸合时，3、4 之间断开电磁起重机
