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第2节传感器的应用力电传感器:主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。传感器应用实例一、力传感器的应用——电子秤金属梁U1U2阅读教材，思考并回答问题：（1）电子秤用的测力装置是什么？它由什么元件组成？（2）简述力传感器的工作原理。（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？例1：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（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上物体，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、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量m。（1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。（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。（3）请设想实验中可能会出现的一个问题。力电转换器＋＋－－输出输入受压面(1)设计电路如图(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/m0gU=kmg,所以m=m0U/U0例题2：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中P为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O是悬挂点，R0是保护电阻，CD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在C点接触，此时电路中的电流为I，有风时细金属丝将偏转一角度θ（θ与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在C/点接触，已知风力方向水平向左，OC=h，CD=L，球的质量为M，电阻丝单位长度的电阻为k，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转θ角时，电流表的示数为I’，此时风力大小为F，试写出：①风力大小F与θ的关系式；②风力大小F与电流表示数I’的关系式。③此装置所测定的最大风力是多少？R0OPDBθCA电源例题3：（2003上海考题）演示位移传感器的工作原理如右图示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是()A物体M运动时，电源内的电流会发生变化B物体M运动时，电压表的示数会发生变化C物体M不动时，电路中没有电流D物体M不动时，电压表没有示数B例4:可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。当系统绕轴OO′转动时，元件A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，系统静止时P在B点，当系统以角速度ω转动时，试写出输出电压U与ω的函数式。ASPCBωOO′输出电压U解：设弹簧伸长x,则∴x=mω2l／(k-mω2)设滑动变阻器单位长度的电阻为r1U=IRx=Exr1/lr1=Ex/l∴U=Emω2／(k-mω2)例5：将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示，在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。当箱以a=2.0m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的传感器显示的压力为6.0N，下底板的传感器显示的压力为10.0N。(取g=10m/s2)(1)若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半，试判断箱的运动情况。(2)要使上顶板传感器的示数为零,箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？m原来（1）（2）解：mF=10NF1=6Nmga向上做匀减速运动a向下a=2m/s2mg+F1-F=mam=0.5kgFmgF2a2上顶板示数是下底板示数的1/2弹簧长度不变F=10NF2=5Nmg+F2-F=ma2a2=0静止或匀速运动Fmga3上顶板示数为零，则弹簧变短F≥10NF3=0F–mg=ma3a3≥10m/s2向上加速或向下减速，加速度a≥10m/s2。二、声传感器的应用——话筒传感器应用实例（1）话筒的作用是什么？（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这种话筒的优点是什么？（4）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？4.声电传感器例题1.（2003上海试题）唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。其中有一种是动圈式的，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，线圈处于永磁体的磁场中，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，穿过金属线圈的磁通量不变D膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势B常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。三、温度传感器的应用——电熨斗传感器应用实例双金属片温度传感器：例2.日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？U形动触片静触片氖泡图1解析：日光灯启动器结构如图所示，内有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使U形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片接触，电路接通；温度降低时，U动触片向里收缩，离开触点，切断电路。电熨斗的构造思考与讨论：●常温下两触点是接触还是分离？●如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？例3.电熨斗：利用双金属片温度传感器控制电路的通断.（1）电饭锅中温度传感器的主要元件是什么？（2）感温铁氧体的组成物质是什么？（3）感温铁氧体有何特点？（4）什么是“居里点”？四、温度传感器的应用——电饭锅思考并回答教材“思考与讨论”中的问题，了解电饭锅的工作原理(1).开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否恢复到图示的状态？为什么？(2).煮饭时水沸腾后锅内是否回大致保持一定的温度？为什么？(3).饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？(4).如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？:例1、如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。S2是一个自动控温开关，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＝R2＝500Ω，计算加热电阻丝R3＝50Ω，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？例2.如图所示是一种热敏电阻（PTC元件）的电阻R随温度t变化的关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能．常见的电热灭蚊器中就使用这种元件来加温并控制温度．如果将该元件接到220V恒定电压下，则（）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．当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1不变D．当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1到t2之间的某一值不变t/℃Rt2t1AD例3.图1为某一热敏电阻R(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。⑴为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图；简要说明理由：。（电源电动势为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0-100Ω）⑵在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为Ω。⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子：_____________。VA图2VA图3I/mAU/V1234567500图110203040AR1R2热敏电阻图4R9V2电压可从0V调到所需电压，调节范围较大5.2111.6—112.0热敏温度计例4.如图所示甲为在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图，箱内电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，R1为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。当a、b端电压Uab﹤0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab﹥0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在＿＿＿℃。解析：设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有UR1／（R1﹢R2）＝UR3／（R3﹢Rt）解得Rt＝20kΩ由图乙可知，当Rt＝20kΩ时，t＝35℃35℃例5.用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。aedcb阅读：P68回答利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例，简述其工作原理光传感器的应用——火灾报警器例1.如图是天花板上装的火灾报警器，平时，发光二极管LED发出的光被挡板挡住，光电三极管收不到光，呈现高电阻状态；当有烟雾进入罩内后，对光线向各个方向散射，使部分光线照射到光电三极管上，其阻值变小，与传感器连接的电路检测到这种变化，就会发出警报．光电传感器:光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。例2.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于Ω档，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ′，则可判断（）A.θ′=θB.θ′θC.θ′θD.不能确定θ和θ的关系′θB例3.（新教材2003天津理综）如图，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为()A1.9eVB0.6eVC2.5eVD3.1eV例4.用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是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．电饭煲中控制加热和保温的温控器AA例5.如图6－3－3所示为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．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，由电路记录和显示．若实验显示单位时间的脉冲数n，累积脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据车轮的半径R和齿轮的齿数P：；小车速度的表达式为V＝＿＿＿＿＿＿＿；行程的表达式为s＝＿＿＿＿＿＿＿＿＿．2πRn/P2πRN/P例6.用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控制路灯的实验电路。要求是：光暗时灯亮，光亮时灯灭。可供选择的器材如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。ecab220V解：光敏电阻受到光照射时电阻变小，将光敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端，如图示：将交流电源与路灯接入c、e之间。光暗时光敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，ce处于闭合，灯亮。光亮时，光敏电阻值小，ab间电流大，磁性强，吸住衔铁，电路ce处断开，灯灭。六电容传感器：电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，