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1、传感器的应用传感器的应用(一一)高二物理备课组高二物理备课组2021/8/11 星期三1传感器应用的一般模式：传感器应用的一般模式：2021/8/11 星期三2一一.力电传感器的应用力电传感器的应用电子称电子称阅读教材，思考并回答教材，思考并回答问题：（1）电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？（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？2021/8/11 星期三3应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量2021/8/11 星期三4练习练习.关于电子秤中应变式力传感器的说法关于电子秤中应变式
2、力传感器的说法正确的是正确的是（）A.应变片是由多用半导体材料制成应变片是由多用半导体材料制成B.当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小反之，变小C.传感器输出的是应变片上的传感器输出的是应变片上的电压电压D.外力越大，输出的电压差值也越大外力越大，输出的电压差值也越大A B D2021/8/11 星期三5 例例1 1：（20032003上上海海考考题题）演演示示位位移移传传感感器器的的工工作作原原理理如如右右图图示示，物物体体MM在在导导轨轨上上平平移移时时，带带动动滑滑动动变变阻阻器器的的金金属属滑滑杆杆p p，通通过过电电压压表表显显示示的的数数据
3、据，来来反反映映物物体体位位移移的的大大小小x x。假假设设电电压压表表是是理理想想的的，则则下下列列说说法法正确的是正确的是 ()()A.A.物体物体MM运动时，电源内的电流会发生变化运动时，电源内的电流会发生变化B.B.物体物体MM运动时，电压表的示数会发生变化运动时，电压表的示数会发生变化C.C.物体物体MM不动时，电路中没有电流不动时，电路中没有电流D.D.物体物体MM不动时，电压表没有示数不动时，电压表没有示数B2021/8/11 星期三6例例2:(1)惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理的示
4、统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一意图如图示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一个质量为个质量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为的滑块，滑块的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，弹簧处于静止，弹簧处于自然长度自然长度。滑块上有指针，可通过标尺。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，指针向左偏离时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离
5、O点的距离点的距离为为S，则这段时间内导弹的加速度，则这段时间内导弹的加速度 （）A.方向向左，大小为方向向左，大小为 k S/m B方向向右，大小为方向向右，大小为 k S/m C方向向左，大小为方向向左，大小为 2k S/m D.方向向右，大小为方向向右，大小为 2k S/m01010UPD2021/8/11 星期三7(2)若若电电位位器器（可可变变电电阻阻）总总长长度度为为L，其其电电阻阻均均匀匀，两两端端接接在在稳稳压压电电源源U0上上，当当导导弹弹以以加加速速度度a沿沿水水平平方方向向运运动动时时，与与滑滑块块连连接接的的滑滑动动片片P产产生生位位移移，此此时时可可输输出出一一个个电
6、电信信号号U，作作为为导导弹弹惯惯性性制制导导系系统统的的信信息息源源，为为控控制制导导弹弹运运动动状状态态输输入入信信息息，试试写写出出U与与a 的的函函数数关关系系式。式。01010UPU0解解：a=2kS/m S=ma/2kU=U0 Rx/R=U0 S/L=maU0/2kL=mU0 a/2kLa2021/8/11 星期三8力力电转换电转换器器输输出出输输入入受受压压面面例例3 3：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换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（比例系数为为k k
7、）如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时）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的输出电压为0 0；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物；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体的质量成正比的输出电压U U。现有下列器材：力电转换器、质量为现有下列器材：力电转换器、质量为mm0 0的砝码、电压表、滑的砝码、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力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量mm。（1 1）设计一个
8、电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使）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。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 2）简要说明测量步骤，求出比例系数）简要说明测量步骤，求出比例系数k k，并测出待测物体，并测出待测物体的质量的质量mm。（3 3）请设想实验中可能会出现的一个问题。）请设想实验中可能会出现的一个问题。2021/8/11 星期三9力力电转换电转换器器输输出出输输入入受受压压器器SVR解析：解析：（1 1）设计的电路图如图所示，输入电压采用）设计的电路图如图所示，输入电压采用分压接法目的是让电压
9、可调范围尽可能大。分压接法目的是让电压可调范围尽可能大。（2 2）测量步骤：）测量步骤：调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。将质量为将质量为mm0 0的砝码放在转换器上，记下输出电压的砝码放在转换器上，记下输出电压U U0 0。将待测物体放在转换器上，记下输出电压将待测物体放在转换器上，记下输出电压U U1 1，由，由U U0 0=km=km0 0g g得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g，测得，测得U U1 1=kmg=kmg，所以，所以m=mm=m0 0U U1 1/U/U0 0。（3 3）可能出现的问题）可能出现的问题 因电源电压不够而输
10、出电压因电源电压不够而输出电压调不到零。调不到零。待测物体质量超出转换器量程。待测物体质量超出转换器量程。2021/8/11 星期三10例题例题4 4：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中的仪器原理图，图中P为金属球，悬挂在一细长裸金属为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，丝下面，O是悬挂点，是悬挂点，R0是保护电阻，是保护电阻，CD是水平放置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触，无风时细金属丝与电阻丝在C点接触，此时电路中点接触，此
11、时电路中的电流为的电流为I，有风时细金属丝将偏转一角度，有风时细金属丝将偏转一角度（与风力与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在大小有关），细金属丝与电阻丝在C/点接触，已知风力点接触，已知风力方向水平向左，方向水平向左，OC=h，CD=L，球的质量为，球的质量为M，电阻，电阻丝单位长度的电阻为丝单位长度的电阻为k，电源内电阻和细金属丝电阻均，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转不计，金属丝偏转角时，电流表的示数为角时，电流表的示数为I/，此时风，此时风力大小为力大小为F，试写出：，试写出：R0OPDC/CA电电源源风力大小风力大小F F与与 的关系式；的关系式；风力大小风力大小F F与电
12、流表示数与电流表示数I I/的关系式。的关系式。此装置所测定的最大风力是多少？此装置所测定的最大风力是多少？2021/8/11 星期三11例例5 5:可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构其结构如图所示。当系统绕轴如图所示。当系统绕轴OO转动时，元件转动时，元件A发生位移并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。已知的信息源。已知A的质量为的质量为m，弹簧的劲度系数为，弹簧的劲度系数为k、自然长度为自然长度为l，电源的电动势为，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变、内阻不计。滑动变阻
13、器总长也为阻器总长也为l，电阻分布均匀，系统静止时，电阻分布均匀，系统静止时P在在B点，点，当系统以角速度当系统以角速度转动时，试写出输出电压转动时，试写出输出电压U与与的函的函数式。数式。A S PCBOO输出电压输出电压U解解：设弹簧伸长：设弹簧伸长x,则则 kx=m 2(l+x)x=m 2 l (k-m 2)设滑动变阻器单位长度设滑动变阻器单位长度 的电阻为的电阻为r1 U=IRx=Exr1/l r1=Ex/l U=Em 2(k-m 2)2021/8/11 星期三12 例例6 6、将将金金属属块块m用用压压缩缩的的轻轻弹弹簧簧卡卡在在一一个个矩矩形形的的箱箱中中，如如图图所所示示，在在箱
14、箱的的上上顶顶板板和和下下底底板板装装有有压压力力传传感感器器，箱箱可可以以沿沿竖竖直直轨轨道道运运动动。当当箱箱以以a=2.0 m/s2的的加加速速度度竖竖直直向向上上做做匀匀减减速速运运动动时时，上上顶顶板板的的传传感感器器显显示示的的压压力力为为6.0N，下下底底板板的的传传感感器器显显示示的的压力为压力为10.0N。(取取g=10 m/s2)(1)若上顶板传感器的示数是下底板若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半，传感器的示数的一半，试判断箱的运试判断箱的运动情况。动情况。(2)要使上顶板传感器的示数为零要使上顶板传感器的示数为零,箱箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？沿竖直方
15、向运动的情况可能是怎样的？m2021/8/11 星期三13原来原来（1）（2）解：解：m向上做匀减速向上做匀减速运动运动a向下向下a=2m/s2F=10NF1=6Nmgamg+F1-F=mam=0.5kg上顶板示数是下上顶板示数是下底板示数的底板示数的1/2弹簧长度不变弹簧长度不变F=10N F2=5NFmgF2a2mg+F2-F=ma2a2=0静止或匀速运动静止或匀速运动上顶板示数为零，上顶板示数为零，则弹簧变短，则弹簧变短，F10N F3=0Fmga3F mg=ma3a3 10m/s2向上加速或向向上加速或向下减速，加速下减速，加速度度a 10m/s2。2021/8/11 星期三14二二.
16、声传感器的应用话筒（1）话筒的作用是什么？）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。）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。阅读教材并思考阅读教材并思考声音信号转化为电信号声音信号转化为电信号 膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器
17、，从扬声器中就发出放大的声音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。音。2021/8/11 星期三15（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。）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？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？）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？利用电容器充放电形成的充放电电流。薄金属膜利用电容器充放电形成的充放电电流。薄金属膜M和和固定电极固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电当声形成一个电容器，被直流电源充电当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻
18、电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的两端就输出了与声音变化规律相同的电压优点：保真度好。电压优点：保真度好。驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜优点：体积小，重量轻，价波的是驻极体塑料薄膜优点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。格便宜，灵敏度高，工作电压低。2021/8/11 星期三16三温度传感器的应用三温度传感器的应用电熨斗电熨斗 2021/8/11 星期三172021/8/11 星期三18思思考与讨论考与讨论：（1）常温下，上、下触点应是接触的还是）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的
19、？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？2021/8/11 星期三19本节课主要学习了以下几个问题：本节课主要学习了以下几个问题：1、力传感器的应用、力传感器的应用电子秤传感器的应用电子秤传感器的应用 2、声传感器的应用、声传感器的应用话筒话筒 3、温度传感器的应用、温度传感器的应用电熨斗电熨斗 力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声音信号转换为电
20、信号，而温度传感器往往是是把声音信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行自动控制用来进行自动控制2021/8/11 星期三20一一.力电传感器的应用力电传感器的应用 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、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、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上的惯性导航系统及ABSABS防抱死制动
21、系统等。防抱死制动系统等。1.1.测质量测质量2.2.测测 力力3.3.测物体加（角）速度测物体加（角）速度4.4.测测 位位 移移2021/8/11 星期三21二二.声传感器的应用话筒 声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感感器，常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。器。例题：（例题：（20032003上海试题）唱卡拉上海试题）唱卡拉OKOK用的话筒，内有用的话筒，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
22、圈，线圈处于永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。下列说法正确的是信号转变为电信号。下列说法正确的是 ()A A 该传感器是根据电流的磁效应工作的该传感器是根据电流的磁效应工作的B B 该传感器是根据电磁感应原理工作的该传感器是根据电磁感应原理工作的C C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变D D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势B2021/8/11 星期三22金属金属板板金属金属膜膜振振动
23、动膜膜外外电电路路图5例题：如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容例题：如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信
24、号，其中导致电容变化的声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的（原因可能是容器两板间的（）（A A）距离变化）距离变化 （B B）正对面积变化）正对面积变化（CC）介质变化）介质变化 （D D）电压变化）电压变化A2021/8/11 星期三23三三.热电传感器热电传感器U形形动动触片触片静触片静触片氖氖泡泡图1热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器，一般有两类：一类是随温度变化引起传感器中某个组，一般有两类：一类是随温度变化引起传感器中某个组件形状的变化（如热胀冷缩）达到转换信号的目的；还件形状的变化（如热胀
25、冷缩）达到转换信号的目的；还有一类是随温度变化引起电阻的变化（如半导体材料中有一类是随温度变化引起电阻的变化（如半导体材料中热敏电阻随温度升高电阻减小）达到转换信号的目的。热敏电阻随温度升高电阻减小）达到转换信号的目的。日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的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热敏功能器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？吗？解析：日光灯启动器结构如图所示，内有一双金解析：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
26、电而发出辉光，辉光发出极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使的热量使U U形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触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，片接触，电路接通；温度降低时，U U动触片向里收动触片向里收缩，离开触点，切断电路。缩，离开触点，切断电路。2021/8/11 星期三24电慰斗电慰斗双金属片温度传感器的作用双金属片温度传感器的作用:控制电路的通断控制电路的通断.P63P63思考与讨论思考与讨论2021/8/11 星期三25电饭锅电饭锅1.1.居里点居里点2.P662.P66思考与讨论思考与讨论2021/8/11 星期三26 如图所示是一种热敏电
27、阻（如图所示是一种热敏电阻（PTCPTC元件）的电阻元件）的电阻R R随随温度温度t t变化的关系图线，这种元件具有发热、控温双重变化的关系图线，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控制温度如果将该元件接到220V220V恒定电压下，则恒定电压下，则A A通电后，其电功率先增大后减小通电后，其电功率先增大后减小B B通电后，其电功率先减小后增大通电后，其电功率先减小后增大CC当其发热功率等于散热功率时，温度保持在当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t t1 1不不变变D D当其发热功率等于散
28、热功率时，温度保持在当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t t1 1 到到t t2 2之间的某一值不变之间的某一值不变t/Rt2t1AD2021/8/11 星期三27 用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控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。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、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。继电器、滑动变阻器、开关、导线。ecab解解：光敏电阻受到光照射时电阻变小：光敏电阻受到光照射时电阻变小，将光敏电
29、，将光敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的接入继电器的a、b端，如图示：端，如图示：将交流电源与路灯接入将交流电源与路灯接入c、e之间。之间。220V 光暗时光敏电阻值大，光暗时光敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，间电流小，磁性弱，ce处于闭合，灯亮。处于闭合，灯亮。光亮时，光敏电阻值光亮时，光敏电阻值小，小，ab间电流大，磁性间电流大，磁性强，吸住衔铁，电路强，吸住衔铁，电路ce处处断开，灯灭。断开，灯灭。2021/8/11 星期三2803年上海高考年上海高考18、图图1为为某某一一热热敏敏电电阻阻R(电电阻阻值值随随温温度
30、度的的改改变变而改变，且对温度很敏感而改变，且对温度很敏感)的的I-U关系曲线图。关系曲线图。为为了了通通过过测测量量得得到到图图1所所示示I-U关关系系的的完完整整曲曲线线，在在图图2和和图图3两两个电路中应选择的是图个电路中应选择的是图 ；简要说明理由：；简要说明理由：。（电电源源电电动动势势为为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0-100）在在图图4电电路路中中，电电源源电电压压恒恒为为9V，电电流流表表读读数数为为70mA，定定值值电电阻阻R1=250。由由热热敏敏电电阻阻的的I-U关关系系曲曲线线可可知知，热热敏敏电电阻阻两两端端的的电电压为压为_V；电阻；电阻R2的阻值为的阻值为 。举出一个可以应用热敏电阻的例子：举出一个可以应用热敏电阻的例子：_。2电压可从电压可从0V调到所需电压，调节范围较大调到所需电压，调节范围较大 解解:I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA 由图由图1得得 UR=5.2V 5.2 R2=(9-5.2)/0.034=111.8 111.6112.0 热敏温度计热敏温度计 VA图图2VA图图3I/mAU/V1 2 3 4 5 6 7500图图110203040AR1R2热热敏敏电电阻阻图图4R9V2021/8/11 星期三292021/8/11 星期三30