1、2 传感器的应用传感器的应用 3 实验实验：传感器的应用传感器的应用 学科素养与目标要求 物理观念：了解传感器在日常生活和生产中的应用. 科学探究：1.通过实验或演示实验，认识传感器在技术或生产中的应用.2.能设计简单的传感 器应用电路. 科学态度与责任：通过对传感器原理及应用的了解，体会所学知识在实际应用中的价值，增 强学习兴趣并培养正确的科学态度. 一、力传感器的作用及原理 1.应变式力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力. 2.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. 二、温度传感器的工作原理 1.双金属片温度传感器的工作原理：温度变化时，因双金属片上层金属与下层金属的热
2、膨胀 系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断. 2.(1)电饭锅中温度传感器为感温铁氧体.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，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”. (2)用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到 103 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. 三、光传感器的原理及应用 1.光传感器能把光信号转换为电信号. 2.最常见的光传感器有光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等. 3.典型的应用，如鼠标、火灾报警器、光敏自动计数器等. 四、光控开关和温度报警器 1.斯密特触发器是具
3、有特殊功能的非门，符号为. 2.当加在斯密特触发器的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端 Y 会突然从高 电平跳到低电平(0.25 V)， 而当输入端 A 的电压下降到另一个值(0.8 V)时， Y 会从低电平跳到 高电平(3.4 V).这样它将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号. 1.判断下列说法的正误. (1)电子秤中的应变片的电阻随形变大小而变化.( ) (2)电熨斗和电饭锅都是利用双金属片控制电路通断的.( ) (3)火灾报警器中的光电三极管的电阻随光照的增强而变小.( ) (4)利用红外线敏感元件可以实现无接触测温.( ) 2.电子打火机的点火原理是压电效应
4、，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力 近似成正比.现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器， 如图 1 所示.压电片安装在电梯地 板下， 电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压.若发现电压表示数增大， 则电梯加速度一定_(填“向上”或“向下”)，电梯可能_(填“加速”或“减 速”)下降. 图 1 答案 向上 减速 一、力传感器的应用电子秤 如图所示是一个应变式力传感器，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.结合力传感器的特点，叙述它的工作原理. 答案 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
5、应变片的电阻变小.力 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.力 F 越大，输出的电压差值也就越大. 例 1 (多选)为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图 2 所示是原 理图.轻质弹簧右端和金属滑片 P 固定在一起(弹簧的电阻不计， P 与 R1间的摩擦不计)， 弹簧劲 度系数为 100 N/cm.定值电阻 R05 ，ab 是一根长为 5 cm 的均匀电阻丝，阻值 R125 ，电 源输出电压恒为 U3 V，理想电流表的量程为 00.6
6、A.当拉环不受力时，滑片 P 处于 a 端. 下列关于这个电路的说法正确的是( ) 图 2 A.小明在电路中连入 R0的目的是保护电路 B.当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为 0.1 A C.当拉力为 400 N 时，电流表指针指在 0.3 A 处 D.当拉力为 400 N 时，电流表指针指在 0.5 A 处 答案 ABC 解析 若电路无电阻 R0，且金属滑片 P 在 b 端时，电路短路会损坏电源，R0的存在使电路不 出现短路， 因此 A 正确； 当拉环不受力时， 滑片 P 在 a 端， 由闭合电路欧姆定律得， I U R0R1 0.1 A，故 B 正确；拉力为 400 N 时，由 Fk
7、x，则 x4 cm，对应的电阻为 RaP20 ， R1接入电路的电阻 RPb5 ，由闭合电路欧姆定律得，I U R0RPb0.3 A，故 D 错误，C 正确. 二、温度传感器的应用电熨斗、电饭锅 (1)如图所示为电熨斗的结构， 其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属.常温下， 电 熨斗的上、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怎样起作用？ (2)电饭锅的结构如图所示. 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会恢复到图示的状态？为什么？ 煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？为什么？如果用电饭锅烧水，能否在水 沸腾后自动断电？ 饭熟后，水分被大米吸收，锅
8、底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动发生哪些动作？ 答案 (1)常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热.当温度过高 时双金属片膨胀，因上层的金属片热膨胀系数较大，故上层金属片膨胀得厉害，双金属片向 下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加热；当温度降低后，双 金属片恢复原状，重新接通电路加热. (2)煮饭时压下开关按钮，感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起，触点相接，电路接通， 开始加热，手松开后，由于锅内的温度低，感温磁体与永磁体相互吸引而不能使按钮恢复到 图示的状态. 煮饭时水沸腾后锅内的温度基本保持在水的沸点不变.因为水沸腾时， 温度不变. 不
9、能自动 断电，因为如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内的温度保持在 100 不变，低于“居里温 度”(103 )，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到 103 才能自动断电，因此 用电饭锅烧水不能实现自动控温. 饭熟后， 水分被大米吸收， 锅底的温度会升高， 当温度上升到“居里温度”(约 103 )时， 感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁体与之分离，开关自动断开，且不能自动复位. 例 2 如图 3 所示是自动调温式电熨斗，下列说法不正确的是( ) 图 3 A.常温时上、下触点是接触的 B.双金属片温度升高时，上层的金属片形变较大，双金属片将向下弯曲 C.原来温度控制在 80 断开电源，现要
10、求 60 断开电源，应使调温旋钮下移一些 D.由熨烫丝绸衣物状态(温度较低)转化为熨烫棉麻衣物状态(温度较高)，应使调温旋钮下移一些 答案 C 解析 常温工作时，上、下触点是接通的；当温度升高时，上层金属片形变大，向下弯曲， 切断电源；切断温度要升高则应使调温旋钮下移一些，A、B、D 正确，C 错误. 例 3 (多选)电饭锅的结构如图 4 所示，如果感温磁体的“居里温度”为 103 时，下列说 法中正确的是( ) 图 4 A.常温下感温磁体具有较强的磁性 B.当温度超过 103 时，感温磁体的磁性较强 C.饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会达到 103 ，这时开关按钮会跳起 D.常压下只要锅
11、内有水，锅内的温度就不可能达到 103 ，开关按钮就不会自动跳起 答案 ACD 三、光传感器的应用火灾报警器 如图所示是火灾报警器的内部结构， 它由发光二极管 LED、 光电三极管和不透明的挡板组成， 请简述它的工作原理. 答案 正常情况下，光电三极管接收不到 LED 发出的光，呈现高电阻状态，当烟雾进入罩内 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. 例 4 如图 5 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
12、， 呈现高电阻状态.发生火灾时，下列说法正确的是( ) 图 5 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，检测电路检测 出变化发出警报 D.以上说法均不正确 答案 C 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，部分光线照到 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 正确. 1.(光传感器的应用)(多选)(2017 济宁市高二检测)如图 6 所示为某商厦安装的光敏电阻自动计
13、 数器的示意图.其中 A 为光源，B 为由电动机带动的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.此光计 数器的基本工作原理是( ) 图 6 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 答案 BC 解析 当光照射 R1时，R1阻值减小，R总减小，电源电压不变，故电路中的电流增大，R2是 定值电阻，U2IR2，R2两端电压增大，信号处理系统获得高电压，A 错误，B 正确；当有人
14、 时信号处理系统计数，即没有光照时获得低电压，C 正确，D 错误. 2.(力传感器的应用)(2018 烟台市高二下学期期中)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小， 有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置， 其工作原理图如图 7 甲所示， 将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数 如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为 I1.下列判断正确的是( ) 图 7 A.0 到 t1时间内，升降机一定静止 B.t1到 t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C.t1到 t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D.t2到 t3时间内，升降机可能向下
15、匀加速运动 答案 C 3.(力传感器的应用)(2018 聊城市高二下学期期末)用压敏电阻可制成压力传感器， 它受到的压 力越大，输出的电压就越大，用它可以对汽车称重.经实测，某压力传感器输出电压与压力的 关系如下表： 压力/(105 N) 0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 输出电压/V 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 将该压力传感器水平放置，并和电阻箱 R(最大电阻 999.9 )及部分其他器材组成了如图 8 甲所示的电路，闭合开关 S，当线圈中的电流 I20 mA 时，电磁继电器的衔铁被吸合.已知 继电器线圈的电阻为 25 ， 继电器控制电路的电压由传感器的输出电压 U
16、 提供.(假设 U 不受 继电器电路影响) 图 8 (1)根据表格中数据，请在图乙给定的坐标系中描绘出压力传感器的输出电压随压力变化的 图象； (2)当压力增大到一定程度时，电铃报警，说明汽车超载，则图甲中电铃应接在_(选填 “A、B”或“C、D”)两端； (3)为使车重 G3.0105 N 时启动报警系统，则电阻箱 R的电阻应调节到_ ； (4)通过调整电阻箱 R的阻值，可以调整报警车重，能使该装置报警的最小车重为_ N. 答案 (1)见解析图 (2)C、D (3)100 (4)6.0104 解析 (1)横坐标表示压力，纵坐标表示输出电压，根据表中数据，所作图象如图所示 (2)当压力增大到一
17、定程度时， 压力传感器输出电压达到一定数值， 线圈中电流大于或等于 20 mA 时，电磁继电器的衔铁被吸合，C、D 间的电路就会被接通，因此电铃应接在 C、D 之间； (3)由图可知当FN3.0105 N时U2.5 V， 而使电磁继电器的衔铁被吸合的最小电流为0.02 A， 故电路总电阻R总 2.5 0.02 125 ，所以电阻箱接入电路的阻值RR 总R线125 25 100 ； (4)因为使电磁继电器衔铁吸合的最小电流I20 mA0.02 A， 继电器线圈的电阻R线25 ， 所以要使该装置报警，压力传感器输出的电压最小值为 U最小IR线0.02 A25 0.5 V， 由图象可知，输出电压为
18、0.5 V 时，对应的压力为 6.0104 N. 4.(温度传感器的应用)(2018 梅河口市第五中学高二月考)电饭煲的工作原理如图 9 所示， 可分 为两部分，即控制部分：由 S1、S2、定值电阻 R1和黄灯组成；工作(加热)部分：由发热电阻 R3、定值电阻 R2和红灯组成.S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里 点(103 )时，自动断开，且不能自动复位，S2是一个金属片自动开关，当温度达到 70 80 时，自动断开，低于 70 时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小， 所以 R1、R2起_作用，R3是发热电阻.接通电源并按下 S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发
19、 热，当温度达到 70 80 时，S2断开，当温度达到 103 时饭熟，S1断开，当温度降到 70 以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知 R2_R3(填“”)，若用电饭煲烧水时，S1_(填“会”或“不会”)自动断开. 图 9 答案 限流 不会 解析 通过红灯、黄灯的电流必须较小，根据欧姆定律可知 R1、R2起限流作用；R3是发热 电阻，要产生很大的热量，所以电流要大一点，而通过 R2的电流要小一点，而并联电路电 压相等，根据欧姆定律可知 R2R3.若用电饭煲烧水时，温度达不到居里点(103 )，S1不会 自动断开. 5.(温度传感器的应用)传感器担负着信息采集的任务， 在自动控
20、制中发挥着重要作用， 传感器 能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热敏传 感器， 主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻， 某热敏电阻 RT阻值随温度变化的图线如图 10 甲所示，图乙是由该热敏电阻 RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图.问： 图 10 (1)为了使温度过高时报警器铃响，c 应接在_(填“a”或“b”)处. (2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片 P 向_移动(填“左”或 “右”). (3)如果在调试报警器达到最低报警温度时， 无论如何调节滑动变阻器的滑片 P 都不能使报警 器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于
21、工作状态，则造成工作电路不能正常工作的 原因可能是_. 答案 (1)a (2)左 (3)电源提供电压太小以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大 解析 (1)由题图甲可知，热敏电阻 RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁 性增强，把右侧衔铁吸引过来，与 a 接触，故 c 应接在 a 处. (2)为使启动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片应左移. 6.(光传感器的应用)为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可 采用光敏电阻来控制， 光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强 弱，光越强照度越大，照度单位为 lx).某光敏电
22、阻 RG在不同照度下的阻值如表所示： 照度(lx) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻(k) 75 40 28 23 20 18 (1)根据表中的数据，请在图 11 给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值 随照度变化的特点； 图 11 (2)如图 12 所示，当 1、2 两端所加电压上升至 2 V 时，控制开关自动启动照明系统.请利用下 列器材设计一个简单电路，给 1、2 两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至 1.0 lx 时启动 照明系统，在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响) 提供的器材如下： 光敏电阻 RG(符号，阻值见表)； 直流电源 E(电动势 3 V，内阻不计)； 定值电阻：R110 k，R220 k，R340 k(限选其中之一并在图中标出)； 开关 S 及导线若干. 图 12 答案 (1)如图甲所示 光敏电阻的阻值随光的照度的增大而非线性减小 (2)如图乙所示 解析 (2)原理：利用串联电路的分压规律设计电路.当照度降低至 1.0 lx 时，光敏电阻为 RG 20 k，由题中信息可知 U122 V，E3 V，U12 RG EU12 R ， 所以 R10 k，定值电阻应选 R1.
