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1、 第2节 传感器的应用 传感器的应用 力力电传感器感器: :主要是利用敏感元件和主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）速度等）转化化为电学信号（学信号（电压、电流等）的流等）的仪器。力器。力电传感器广泛地感器广泛地应用于社会生用于社会生产、现代科技中，如安装代科技中，如安装在在导弹、飞机、潜艇和宇宙机、潜艇和宇宙飞船上的船上的惯性性导航系航系统及及ABSABS防抱死制防抱死制动系系统等。等。传感器的应用传感器应用实例一、力一、力传传感器的感器的应应用用电电子秤子秤金属梁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
2、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？ 传感器的应用例例1 1：某学生：某学生为了了测量一个物体的量一个物体的质量，找到一个力量，找到一个力电转换器，器，该转换器的器的输出出电压正比于受正比于受压面受到的面受到的压力（比例系数力（比例系数为k k）如）如图所所示，示，测量量时先先调节输入端的入端的电压，使，使转换器空器空载时的的输出出电压为0 0；而后在其受；而后在其受压面上放上物体，即可面上放上物体，即可测得与物体的得与物体的质量成正比的量成正比的输出出电压U U。现有下列器材：力有下列器材：力电转换器、器、质量量为m m0 0的砝的砝码、电压
3、表、滑表、滑动变阻阻器、干器、干电池一个、池一个、电键及及导线若干、待若干、待测物体（可置于力物体（可置于力电转换器器的受的受压面上）。面上）。请完成完成对该物体的物体的测量量m m。（1 1）设计一个一个电路，要求力路，要求力转换器的器的输入入电压可可调，并且使，并且使电压的的调节范范围尽可能大，在方框中画出完整的尽可能大，在方框中画出完整的测量量电路路图。（2 2）简要要说明明测量步量步骤，求出比例系数，求出比例系数k k，并，并测出待出待测物体的物体的质量量m m。（3 3）请设想想实验中可能会出中可能会出现的一个的一个问题。力力电转换器器输出出输入入受受压面面传感器的应用(1)(1)
4、设计电路如图(2) (2) 测量步量步骤与与结果果:调节滑滑动变阻器阻器, ,使使转换器的器的输出出电压为零零,将砝将砝码放在放在转换器上器上, ,记下下输出出电压U U0 0,将待将待测物放在物放在转换器器上上, ,记下下输出出电压U U 由由U U0 0=km=km0 0g,g,得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g U=k m g, U=k m g,所以所以 m=mm=m0 0U/UU/U0 0传感器的应用例题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
5、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（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，金属丝偏转角时，电流表的示数为I，此时风力大小为F，试写出：风力大小F与的关系式；风力大小F与电流表示数I 的关系式。 此装置所测定的最大风力是多少？R0OPDBCA电源传感器的应用例例题3：（：（2003上海考上海考题）演示位移）演示位移传感器的工作原理如右感器的工作原理如右图示，示，物体物体M在在导轨上平移上平移时，带动滑滑动变阻
6、器的金属滑杆阻器的金属滑杆p，通，通过电压表表显示的数据，来反映物体位移的大小示的数据，来反映物体位移的大小x。假。假设电压表是理想的，表是理想的，则下列下列说法正确的是法正确的是()A物体物体M运运动时，电源内的源内的电流会流会发生生变化化B物体物体M运运动时，电压表的示数会表的示数会发生生变化化C物体物体M不不动时，电路中没有路中没有电流流D物体物体M不不动时，电压表没有示数表没有示数B传感器的应用例例4:可可测量量飞机、航天器、潜艇的机、航天器、潜艇的转动角速度角速度,其其结构如构如图所示。所示。当系当系统绕轴OO转动时，元件，元件A发生位移并生位移并输出相出相应的的电压信号，信号，成成
7、为飞机、机、卫星等的制星等的制导系系统的信息源。已知的信息源。已知A的的质量量为m，弹簧簧的的劲度系数度系数为k、自然、自然长度度为l，电源的源的电动势为E、内阻不、内阻不计。滑。滑动变阻器阻器总长也也为l，电阻分布均匀，系阻分布均匀，系统静止静止时P在在B点，当系点，当系统以角速度以角速度转动时，试写出写出输出出电压U与与的函数式。的函数式。ASPCBOO输出出电压U解：设弹簧伸长x , 则 x= m 2 l ( k-m 2 )设滑动变阻器单位长度 的电阻为r1 U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l U= Em 2 (k-m 2)传感器的应用例例5：将将金金属属块m用用压缩的的轻
8、弹簧簧卡卡在在一一个个矩矩形形的的箱箱中中，如如图所所示示，在在箱箱的的上上顶板板和和下下底底板板装装有有压力力传感感器器，箱箱可可以以沿沿竖直直轨道道运运动。当当箱箱以以a=2.0m/s2的的加加速速度度竖直直向向上上做做匀匀减减速速运运动时，上上顶板板的的传感感器器显示示的的压力力为6.0N，下下底底板板的的传感感器器显示示的的压力力为10.0N。(取取g=10m/s2)(1)若上若上顶板板传感器的示数是下底板感器的示数是下底板传感器的示数的一半，感器的示数的一半，试判断箱的判断箱的运运动情况。情况。(2)要使上要使上顶板板传感器的示数感器的示数为零零,箱箱沿沿竖直方向运直方向运动的情况可
9、能是怎的情况可能是怎样的？的？m传感器的应用原来原来（1）（2）解：解：mF=10NF1=6Nmga向上做匀减速运向上做匀减速运动a向下向下a=2m/s2mg+F1-F=mam=0.5kgFmgF2a2上上顶板示数是下板示数是下底板示数的底板示数的1/2弹簧簧长度不度不变F=10NF2=5Nmg+F2-F=ma2a2=0静止或匀速运静止或匀速运动Fmga3上上顶板示数板示数为零，零，则弹簧簧变短短F10NF3=0Fmg=ma3a310m/s2向上加速或向下减速，向上加速或向下减速，加速度加速度a10m/s2。传感器的应用二、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
10、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？ 传感器的应用4.声声电传感器感器 例例题1.（2003上上海海试题）唱唱卡卡拉拉OK用用的的话筒筒，内内有有传感感器器。其其中中有有一一种种是是动圈圈式式的的，它它的的工工作作原原理理是是在在弹性性膜膜片片后后面面粘粘接接一一个个轻小小的的金金属属线圈圈，线圈圈处于于永永磁磁体体的的磁磁场中中，当当声声波波使使膜膜片片前前后后振振动时，就将声音信号，就将声音信号转变为电信号。下列信号。下列说法正确的是法正确的是()A该传感器是根据感器是根据电流的磁效流的磁效
11、应工作的工作的B该传感器是根据感器是根据电磁感磁感应原理工作的原理工作的C膜片振膜片振动时，穿，穿过金属金属线圈的磁通量不圈的磁通量不变D膜片振膜片振动时，金属，金属线圈中不会圈中不会产生感生感应电动势B传感器的应用常温下两触点分离。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：传感器的应用例例2.日光灯的启日光灯的启动器也可看成是一个器也可看成是一个热敏敏传感装置，它的感装置，它的热敏功能敏功能器是双金属片，你能器是双金属片，你能说出启出启动器的工作原理器的工作原理吗？U形形动触片触片静触片静触片氖泡泡图1解析：
12、日光灯启解析：日光灯启动器器结构如构如图所示，所示，内有一双金属片，内有一双金属片，热膨膨胀系数不同。系数不同。开关开关闭合后，启合后，启动器两极之器两极之间有有电压使使氖气放气放电而而发出出辉光，光，辉光光发出的出的热量使量使U U形形动触片受触片受热膨膨胀向外向外延伸，碰到静触片接触，延伸，碰到静触片接触，电路接通；路接通；温度降低温度降低时，U U动触片向里收触片向里收缩，离，离开触点，切断开触点，切断电路。路。传感器的应用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？传感器的应用例例3.3.电熨斗：利用双金属片温度熨斗：利用双金属片温度
13、传感器控制感器控制电路的通断路的通断. .传感器的应用（1）电饭锅中温度中温度传感器的主要元件是什么？感器的主要元件是什么？（2）感温）感温铁氧体的氧体的组成物成物质是什么？是什么？（3）感温）感温铁氧体有何特点？氧体有何特点？（4）什么是）什么是“居里点居里点”？四、温度传感器的应用电饭锅传感器的应用思思考考并并回回答答教教材材“思思考考与与讨论”中中的的问题，了了解解电饭锅的的工作原理工作原理(1).开始煮开始煮饭时为什么要什么要压下开关按下开关按钮？手松开后？手松开后这个按个按 钮是否恢复到是否恢复到图示的状示的状态？为什么？什么？(2).煮煮饭时水沸水沸腾后后锅内是否回大致保持一定的温
14、度？内是否回大致保持一定的温度？为 什么？什么？(3).饭熟后，水分被大米吸收，熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么底的温度会有什么变化化 ？这时电饭锅会自会自动地地发生哪些生哪些动作？作？(4).如果用如果用电饭锅烧水，能否在水沸水，能否在水沸腾后自后自动断断电？:传感器的应用例例1、如、如图所示是所示是电饭煲的的电路路图，S1是一个控温开关，是一个控温开关，手手动闭合后，当此开关温度达到居里点（合后，当此开关温度达到居里点（103）时，会，会自自动断开。断开。S2是一个自是一个自动控温开关，当温度低于控温开关，当温度低于70时会会自自动闭合；温度高于合；温度高于80时，会自，会自动断开
15、。断开。红灯是加灯是加热时的指示灯，黄灯是保温的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。分流的指示灯。分流电阻阻R1R2500，计算加算加热电阻阻丝R350，两灯两灯电阻不阻不计。（1）分析）分析电饭煲的工作原理。的工作原理。（2）计算加算加热和保温两种状和保温两种状态下消耗的下消耗的电功率之比。功率之比。（3）简要回答，如果不要回答，如果不闭合开关合开关S1，能将，能将饭煮熟煮熟吗？传感器的应用例例2.如如图所示是一种所示是一种热敏敏电阻（阻（PTC元件）的元件）的电阻阻R随温度随温度t变化的化的关系关系图线，这种元件具有种元件具有发热、控温双重功能常、控温双重功能常见的的电热灭蚊器蚊器中就使用中就使
16、用这种元件来加温并控制温度如果将种元件来加温并控制温度如果将该元件接到元件接到220V恒定恒定电压下，下，则（）A通通电后，其后，其电功率先增大后减小功率先增大后减小B通通电后，其后，其电功率先减小后增大功率先减小后增大C当其当其发热功率等于散功率等于散热功率功率时，温度保持在，温度保持在t1不不变D当其当其发热功率等于散功率等于散热功率功率时，温度保持在，温度保持在t1 到到t2之之间的某一的某一值不不变t/Rt2t1AD传感器的应用例例3.图1为某某一一热敏敏电阻阻R(电阻阻值随随温温度度的的改改变而而改改变，且且对温温度度很很敏感敏感)的的I-U关系曲关系曲线图。为了了通通过测量量得得到
17、到图1所所示示I-U关关系系的的完完整整曲曲线，在在图2和和图3两两个个电路中路中应选择的是的是图；简要要说明理由：明理由：。（电源源电动势为9V，内阻不，内阻不计，滑，滑线变阻器的阻阻器的阻值为0-100）在在图4电路路中中，电源源电压恒恒为9V，电流流表表读数数为70mA，定定值电阻阻R1=250。由由热敏敏电阻阻的的I-U关关系系曲曲线可可知知，热敏敏电阻阻两两端端的的电压为_V；电阻阻R2的阻的阻值为。举出一个可以出一个可以应用用热敏敏电阻的例子：阻的例子：_。VA图2VA图3I/mAU/V1234567500图110203040AR1R2热敏敏电阻阻图4R9V2电压可从可从0V调到所
18、需到所需电压，调节范范围较大大5.2111.6112.0热敏温度敏温度计传感器的应用例例4.如如图所所示示甲甲为在在温温度度为10左左右右的的环境境中中工工作作的的自自动恒恒温温箱箱简图，箱箱内内电阻阻R120k，R R2 210k10k，R R3 340 40 kk，R1为热敏敏电阻阻，它它的的电阻阻随随温温度度变化化的的图线如如图乙乙所所示示。当当a、b端端电压Uab0时，电压鉴别器器会会令令开开关关S接接通通，恒恒温温箱箱内内的的电热丝发热，使使箱箱内内温温度度提提高高；当当Uab0时，电压鉴别器器使使S断断开开，停停止止加加热，恒恒温温箱箱内内的的温度恒定在温度恒定在。解析：设电路路端
19、电压为U，当Uab0时，有UR1（R1R2）UR3（R3Rt）解得Rt20k由图乙可知，当Rt20k时，t3535传感器的应用例例5.用如用如图示的示的电磁磁继电器器设计一个高温一个高温报警器，要求警器，要求是：正常情况是：正常情况绿灯亮，有灯亮，有险情情时电铃报警。可供警。可供选择的器的器材如下：材如下：热敏敏电阻、阻、绿灯泡、小灯泡、小电铃、学生用、学生用电源、源、继电器、滑器、滑动变阻器、开关、阻器、开关、导线。aedcb传感器的应用阅读：P68回答回答利用烟利用烟雾对光的散光的散射来工作的火灾射来工作的火灾报警器警器为例，例，简述其述其工作原理工作原理光光传感器的感器的应用用火灾火灾报
20、警器警器传感器的应用例例1.如如图是天花板上装的火灾是天花板上装的火灾报警器，平警器，平时，发光二极管光二极管 LEDLED发出的光被出的光被挡板板挡住，光住，光电三极管收不到光，呈三极管收不到光，呈现高高电阻状阻状态；当有烟；当有烟雾进入罩内后，入罩内后，对光光线向各个方向散射，向各个方向散射，使部分光使部分光线照射到光照射到光电三极管上，其阻三极管上，其阻值变小，与小，与传感器感器连接的接的电路路检测到到这种种变化，就会化，就会发出警出警报传感器的应用光光电传感器感器: 光光电传感器中的主要部感器中的主要部件是光敏件是光敏电阻或光阻或光电管。如果是光敏管。如果是光敏电阻的阻阻的阻值随光照随
21、光照强度的度的变化而化而变化化的原理制成的。如自的原理制成的。如自动冲水机、路灯冲水机、路灯的控制、光的控制、光电计数器、烟数器、烟雾报警器等警器等都是利用了光都是利用了光电传感器的原理。感器的原理。传感器的应用 例例2.如如图示，将一光敏示，将一光敏电阻阻连入多用入多用电表两表笔上，将多用表两表笔上，将多用电表的表的选择开关置于开关置于档，用光照射光敏档，用光照射光敏电阻阻时表表针的偏角的偏角为，现用手用手掌掌挡住部分光住部分光线，表，表针的偏角的偏角变为，则可判断可判断（）A.=B.D.不能确定不能确定和和的关系的关系B传感器的应用例例3.（新新教教材材 2003天天津津理理综）如如图，当
22、当电键K断断开开时，用用光光子子能能量量为2.5eV的的一一束束光光照照射射阴阴极极P，发现电流流表表读数数不不为零零。合合上上电键，调节滑滑线变阻阻器器，发现当当电压表表读数数小小于于0.60V时，电流流表表读数数仍仍不不为零零；当当电压表表读数数大大于于或或等等于于0.60V时，电流流表表读数数为零。由此可知阴极材料的逸出功零。由此可知阴极材料的逸出功为( ) A 1.9eV B 0.6eV C 2.5eV D 3.1eV例例4.用遥控器用遥控器调换电视机机频道的道的过程，程，实际上就是上就是传感器把光信号感器把光信号转化化为电信号的信号的过程。下列属于程。下列属于这类传感感器的是器的是（
23、）A红外外报警装置警装置B走廊照明灯的声控开关走廊照明灯的声控开关C自自动洗衣机中的洗衣机中的压力力传感装置感装置D电饭煲中控制加中控制加热和保温的温控器和保温的温控器AA传感器的应用例例5.如如图633所所示示为实验小小车中中利利用用光光电脉脉冲冲测量量车速速和和行行程程的的示示意意图，A为光光源源，B为光光电接接收收器器，A、B均均固固定定在在小小车上上，C为小小车的的车轮车轮转动时，A发出出的的光光束束通通过旋旋转齿轮上上齿的的间隙隙后后变成成脉脉冲冲光光信信号号，被被B接接收收并并转换成成电信信号号，由由电路路记录和和显示示若若实验显示示单位位时间的的脉脉冲冲数数n，累累积脉脉冲冲数数
24、为N，则要要测出出小小车的的速速度度和和行行程程还必必须测量量的的物物理理数数据据车轮的半径R和齿轮的齿数P：；小小车速速度度的的表表达达式式为V；行行程程的的表表达达式式为s2Rn/P2RN/P传感器的应用例例6.用如用如图示的示的电磁磁继电器器设计一个由光敏一个由光敏电阻来控制路阻来控制路灯的灯的实验电路。要求是：光暗路。要求是：光暗时灯亮，光亮灯亮，光亮时灯灯灭。可供。可供选择的器材如下：光敏的器材如下：光敏电阻、小灯泡、学生用阻、小灯泡、学生用电源、源、继电器、滑器、滑动变阻器、开关、阻器、开关、导线。ecab220V解：光敏解：光敏电阻受到光照射阻受到光照射时电阻阻变小小，将光敏，将
25、光敏电阻、小灯泡、学阻、小灯泡、学生用生用电源、滑源、滑动变阻器、开关串阻器、开关串联接入接入继电器的器的a、b端，如端，如图示：示：将交流将交流电源与路灯接入源与路灯接入c、e之之间。光暗光暗时光敏光敏电阻阻值大，大，ab间电流流小，磁性弱，小，磁性弱，ce处于于闭合，灯亮。合，灯亮。光亮光亮时，光敏，光敏电阻阻值小，小，ab间电流大，磁性流大，磁性强，吸住，吸住衔铁，电路路ce处断开，灯断开，灯灭。传感器的应用六六电容容传感器感器 ：电容器的容器的电容容C决定于极板的正决定于极板的正对面面积S、极板、极板间距离距离d以及极板以及极板间的的电介介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深
26、几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的度等）的变化能引起上述某个因素的化能引起上述某个因素的变化，从而引起化，从而引起电容的容的变化，化，则通通过测定定电容器的容器的电容就可以确定上述物理量的容就可以确定上述物理量的变化，化，起起这种作用的种作用的电容器称容器称为电容式容式传感器。感器。例例1.随着生活随着生活质量的提高，自量的提高，自动干手机已干手机已进入家庭，洗手后，将湿入家庭，洗手后，将湿手靠近自手靠近自动干手机，机内的干手机，机内的传感器便感器便驱动电热器加器加热，有，有热空空气从机内气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，感器
27、工作，是因是因为（）A.改改变了湿度了湿度B.改改变了温度了温度C.改改变了磁了磁场D.改改变了了电容容D传感器的应用例例2.图甲是甲是测量量的的电容式容式传感器，原理是感器，原理是由于由于CS，动片与定片与定片片间的角度的角度发生生变化化时，引起，引起S的的变化，通化，通过测出出C的的变化，化，测量量动片与定片片与定片间的的夹角角 定片定片角度角度图乙是乙是测量量的的电容式容式传感器，原理是感器，原理是由于由于CS，h发生生变化，金属芯化，金属芯线和和导电液体液体组成的成的电容容发生生变化，通化，通过测定定C的的变化，可以化，可以测量液面高度量液面高度h的的变化。化。液面高度液面高度h金属芯
28、金属芯线电介介质导电液体液体h图丙是丙是测量量的的电容式容式传感器，原理是感器，原理是由于由于C1/d，压力力F作用在可作用在可动电极上，引起极板极上，引起极板间距距d的的变化，通化，通过测出出C的的变化，化，测量量压力力F的的变化。化。压力力F图丁是丁是测量量的的电容式容式传感器，原理是感器，原理是由于由于C随着随着电介介质进入极板入极板间的的长度度发生生变化，通化，通过测出出C的的变化，化，测量位移量位移x的的变化。化。位移位移x固定固定电极极F极板极板电介介质x可可动电极极甲乙丙丁传感器的应用例例题3.如如图是是电容式容式话筒的示意筒的示意图，它是利用，它是利用电容制作的容制作的传感器，
29、感器，话筒的振筒的振动膜前面膜前面镀有薄薄的金属有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米，膜后距膜几十微米处有一金有一金属板，振属板，振动膜上的金属膜上的金属层和和这个金属板构成个金属板构成电容器的两极，在两极容器的两极，在两极间加一加一电压U，人，人对着着话筒筒说话时，振，振动膜前后振膜前后振动，使，使电容容发生生变化，化，导致致话筒所在筒所在电路中的其它量路中的其它量发生生变化，使声音信号被化，使声音信号被话筒筒转化化为电信号，其中信号，其中导致致电容容变化的原因可能是容器两板化的原因可能是容器两板间的的（）（A）距离）距离变化化（B）正）正对面面积变化化（C）介）介质变化化（D）电压变化化金属金
30、属板板金属金属膜膜振振动膜膜外外电路路图5A传感器的应用电感感传感器感器电感式感式传感器是利用感器是利用线圈的自感或互感的圈的自感或互感的变化化来来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁量或控制的一种装置，一般要利用磁场作作为媒介媒介或利用磁体的某些或利用磁体的某些现象。象。录音机音机NS实例：磁性物例：磁性物质探探测报警器警器传感器的应用例例1.为了了测量列量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如运行的速度和加速度的大小，可采用如图所示的所示的装置，它是由一装置，它是由一块安装在列安装在列车头底部的底部的强磁体和埋磁体和埋设在在轨道地面的道地面的一一组线圈及圈及电流流测量量仪组成的（成的（测
31、量量仪未画出）。当列未画出）。当列车经过线圈圈上方上方时，线圈中圈中产生的生的电流被流被记录下来，就能求出列下来，就能求出列车在各位置的在各位置的速度和加速度。假速度和加速度。假设磁体端部磁感磁体端部磁感强度度为B=0.004T，且全部集中在，且全部集中在端面范端面范围内，与端面垂直，磁体内，与端面垂直，磁体宽度与度与线圈圈宽度相同，且都很小，度相同，且都很小，线圈匝数圈匝数n=5，长L=0.2m，电阻阻0.4（包括引（包括引线电阻），阻），测试记录下来的下来的电流流位移如位移如图所示。所示。试求：求：在离在离O（原点）（原点）30m，130m处列列车的速度的速度v1和和v2的大小的大小假假设列列车是匀是匀变速运速运动，求列，求列车加速度的大小加速度的大小SOB传感器的应用
