第五章傳感器講義-高二下學(xué)期物理人教版選擇性

§傳感器一．知識(shí)解碼一．傳感器的定義傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）的一種組件，起自動(dòng)控制作用。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成，如：非電學(xué)量——敏感元件——轉(zhuǎn)換元件——轉(zhuǎn)換電路——電學(xué)量敏感元件：相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，直接感受被測(cè)量并將其變換成與被測(cè)量成一定關(guān)系的易于測(cè)量的物理量，如溫度、位移等。轉(zhuǎn)換元件：也稱(chēng)為傳感元件，通常不直接感受被測(cè)量，而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量輸出。轉(zhuǎn)換電路：是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量，如電壓、電流、頻率等。二：常見(jiàn)傳感器1.力學(xué)傳感器力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學(xué)信號(hào)（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等。２.熱傳感器熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化的原理制成的，如各種家用電器（空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機(jī)、電飯煲等）的溫度控制、火警報(bào)警器、恒溫箱等。３.光傳感器光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管。如果是光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的變化而變化的原理制成的。如自動(dòng)沖水機(jī)、路燈的控制、光電計(jì)數(shù)器、煙霧報(bào)警器等都是利用了光電傳感器的原理。二．題型解碼題型一：力學(xué)傳感器的應(yīng)用對(duì)應(yīng)解碼套路：:用如圖所示的裝置可以測(cè)量汽車(chē)在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度.該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個(gè)有力敏電阻組成的壓力傳感器.用兩根相同的輕彈簧夾著一個(gè)質(zhì)量為2.0㎏的滑塊，滑塊可無(wú)摩擦滑動(dòng)，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上其壓力大小可以直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出.現(xiàn)將裝置沿運(yùn)動(dòng)方向固定在汽車(chē)上,傳感器b在前,a在后.汽車(chē)靜止時(shí),傳感器a、b的示數(shù)均為10N（取g=10m／s2）（１）若傳感器a示數(shù)為14N，b的示數(shù)為6.0N,求此時(shí)汽車(chē)的加速度和方向?（２）當(dāng)汽車(chē)以怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí),傳感器a的示數(shù)為零？解：（１）如圖所示左側(cè)彈簧對(duì)滑塊向右的推力Ｆ１＝１４Ｎ，右側(cè)彈簧對(duì)滑塊的向左的推力Ｆ２＝６.０Ｎ，滑塊所受合力產(chǎn)生加速度ａ１，由牛頓第二定律得：Ｆ１－Ｆ２＝ｍａ１，所以ａ１＝４ｍ／ｓ２。同方向，（向右）(2)傳感器a的讀數(shù)恰為零,即左側(cè)彈簧的彈力F11=0,所以右測(cè)彈簧的彈力變?yōu)镕21=20N,由牛頓第二定律有:F21=ma2,所以a2=10m/s2.方向向左.課后提升訓(xùn)練：1．演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿p，通過(guò)電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來(lái)反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說(shuō)法正確的是（）A．物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化B．物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化C．物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒(méi)有電流D．物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒(méi)有示數(shù)２.為了測(cè)量列車(chē)運(yùn)行的速度和加速度的大小，可采用如圖所示的裝置，它是由一塊安裝在列車(chē)頭底部的強(qiáng)磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電流測(cè)量?jī)x組成的（測(cè)量?jī)x未畫(huà)出）。當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)線圈上方時(shí)，線圈中產(chǎn)生的電流被記錄下來(lái)，就能求出列車(chē)在各位置的速度和加速度。假設(shè)磁體端部磁感強(qiáng)度為B=0.004T，且全部集中在端面范圍內(nèi)，與端面垂直，磁體寬度與線圈寬度相同，且都很小，線圈匝數(shù)n=5，長(zhǎng)L=0.2m，電阻0.4Ω（包括引線電阻），測(cè)試記錄下來(lái)的電流—位移如圖所示。試求：⑴在離O（原點(diǎn)）30m，130m處列車(chē)的速度v1和v2的大小。⑵假設(shè)列車(chē)是勻變速運(yùn)動(dòng)，求列車(chē)加速度的大小。３．角速度計(jì)可測(cè)得航天器自轉(zhuǎn)的角速度ω，其結(jié)構(gòu)如圖6－11所示，當(dāng)系統(tǒng)OO１轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，元件A在光滑桿上發(fā)生滑動(dòng)，并輸出電信號(hào)成為航天器的制導(dǎo)信號(hào)源．已知A質(zhì)量為m，彈簧的勁度系數(shù)為k，原長(zhǎng)為Ｌo，電源電動(dòng)勢(shì)為Ｅ，內(nèi)阻不計(jì)．滑動(dòng)變阻器總長(zhǎng)為Ｌ，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時(shí)滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭Ｐ在中點(diǎn)，與固定接頭Ｑ正對(duì)，當(dāng)系統(tǒng)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，求：彈簧形變量ｘ與ω的關(guān)系式；（2）電壓表的示數(shù)Ｕ與角速度ω的函數(shù)關(guān)系．４．如圖所示是一種懸球式加速度儀，它可以用來(lái)測(cè)定沿水平軌道運(yùn)動(dòng)的列車(chē)的加速度。金屬球的質(zhì)量為ｍ，它系在金屬絲的下端。金屬絲的上端懸掛在Ｏ點(diǎn)。ＡＢ是一根長(zhǎng)為Ｌ的均勻電阻絲，其阻值為Ｒ。金屬絲與電阻絲接觸良好，摩擦不計(jì)。電阻絲的中點(diǎn)Ｃ焊接一根導(dǎo)線，從O點(diǎn)也引出一根導(dǎo)線，兩線之間接入一個(gè)電壓表V，金屬絲和導(dǎo)線的電阻不計(jì)。圖中虛線OC與AB垂直，且OC=h.電阻絲AB接在電壓為U的直流穩(wěn)壓電源上，整個(gè)裝置固定在列車(chē)中使AB沿著車(chē)前進(jìn)的方向。列車(chē)靜止時(shí)金屬絲呈豎直狀態(tài)；當(dāng)列車(chē)加速或減速前進(jìn)時(shí)，金屬絲將偏離豎直方向。從電壓表V的讀數(shù)變化可以測(cè)出加速度的大小。當(dāng)列車(chē)向右作勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，試導(dǎo)出加速度a與電壓表讀數(shù)U１的關(guān)系式（用Ｕ１，Ｕ，Ｌ，ｈ及重力加速度ｇ表示）．用導(dǎo)出的ａ與Ｕ１的關(guān)系式說(shuō)明表盤(pán)刻度表示ａ，其刻度是否均勻？二：熱學(xué)傳感器的應(yīng)用對(duì)應(yīng)解碼套路：例１：如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示意圖。其中R2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報(bào)警器。當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況是（）A.I變大，U變大B.I變小，U變小C.I變小，U變大D.I變大，U變小答案：Ｂ課后提升訓(xùn)練：１、下面元件不屬于溫度傳感器的是（）A、電熨斗 B、電飯鍋 C、測(cè)溫儀 D、鼠標(biāo)器２、如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個(gè)控溫開(kāi)關(guān)，手動(dòng)閉合后，當(dāng)此開(kāi)關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)（103℃）時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。S2是一個(gè)自動(dòng)控溫開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時(shí)會(huì)自動(dòng)閉合；溫度高于80℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。紅燈是加熱時(shí)的指示燈，黃燈是保溫時(shí)的指示燈。分流電阻R1＝R2＝500Ω，計(jì)算加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計(jì)。（1）分析電飯煲的工作原理。（2）計(jì)算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比。（3）簡(jiǎn)要回答，如果不閉合開(kāi)關(guān)S1，能將飯煮熟嗎？三：其它典型傳感器的應(yīng)用對(duì)應(yīng)解碼套路：例１：動(dòng)圈式話筒和磁帶錄音機(jī)都應(yīng)用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,圖623甲所式是話筒原理,圖623乙所式是錄音機(jī)的錄音、放音原理圖,由圖可知:話筒工作時(shí)錄音磁鐵不動(dòng),線圈振動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流.錄音機(jī)放音時(shí)變化的磁場(chǎng)在靜止的線圈里產(chǎn)生感應(yīng)電流錄音機(jī)放音時(shí)線圈中變化了的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)錄音機(jī)錄音時(shí)線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)其中正確的是:A②③④B①②③C①②④D①③④解:話筒的工作原理是,聲波迫使金屬線圈在磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)中振動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流.①正確,錄音時(shí),話筒產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)放大電路放大后在錄音機(jī)磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),④正確,磁帶在放音時(shí)通過(guò)變化的磁場(chǎng)使放音磁頭產(chǎn)生感應(yīng)電流,經(jīng)放大電路后再送到揚(yáng)聲器中,②正確答案:C課后提升訓(xùn)練：1．關(guān)于光敏電阻，下列說(shuō)法正確的是（）Ａ.光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量B.硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照射時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好C.硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照射時(shí)，載流子較少，導(dǎo)電性能良好D.半導(dǎo)體材料的硫化鎘，隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好2、霍爾元件能轉(zhuǎn)換哪兩個(gè)量（）Ａ.把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量B把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量C把力轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量D把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量3、唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)有傳感器。其中有一種是動(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。下列說(shuō)法正確的是()A該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的B該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的C膜片振動(dòng)時(shí)，穿過(guò)金屬線圈的磁通量不變D膜片振動(dòng)時(shí)，金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)４、如圖所示，Ｒ３是光敏電阻，當(dāng)開(kāi)關(guān)Ｓ閉合后在沒(méi)有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢(shì)，當(dāng)用光照射電阻Ｒ３時(shí)，則（）Ａ、Ｒ３的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)電勢(shì)Ｂ、Ｒ３的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)Ｃ、Ｒ３的電阻變小，a點(diǎn)電勢(shì)等于b點(diǎn)電勢(shì)Ｄ、Ｒ３的電阻變大，a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)５.鼠標(biāo)器使用的是（）A、壓力傳感器 B、溫度傳感器C、光傳感器 D、紅外線傳感器６．下列說(shuō)法不正確的是Ａ．話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)Ｂ．電熨斗能夠自動(dòng)控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器作用是控制電路的通斷Ｃ．電子秤所使用的測(cè)力裝置是力傳感器Ｄ．熱敏電阻能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量§傳感器（答案）題型一：力學(xué)傳感器的應(yīng)用課后提升訓(xùn)練：１答案：Ｂ２．解：I=E/R=nBLv/Rv=IR/nBL=0.4I／5×0.004×0.2=100×I在30m處，I1=0.12A∴v1=12m/s在130m處，I2=0.15A∴v2=15m/s∴a=（v22v12）/2S=0.405m/s2３解：當(dāng)系統(tǒng)繞OO1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),A在光滑桿上發(fā)生滑動(dòng),使彈簧發(fā)生形變,觸頭P也隨之而移動(dòng)．由牛頓第二定律，Ｆ＝ｍω2R，R=Lo＋ｘ，即kx=ｍω2(Lo＋ｘ)，ｘ＝ｍω2／Lo/(kｍω2).電壓表的示數(shù)Ｕ＝E=ｍω2LoE／L(kｍω2)４．解：(1)a=g(2)是(２)設(shè)列車(chē)的加速度為ａ時(shí)，小球偏離豎直方向角，此時(shí)小球受力情況如圖所示．根據(jù)牛頓第二定律有mgtan=ma①由幾何關(guān)系有tan=②由①②兩式解得a=g③列車(chē)加速度為a時(shí)，設(shè)電壓表的讀數(shù)為U`．則有U`=．④由④得＝⑤將⑤代入③得ａ＝g⑥由⑥可知，ｇ．Ｌ．Ｕ．ｈ均為常數(shù)，則列車(chē)的加速度與電壓表讀數(shù)U`成正比，可將電壓表的刻度一一對(duì)應(yīng)地改成ａ的數(shù)值，因而可知表盤(pán)上ａ的刻度值與電壓刻度一樣是均勻的．二：熱學(xué)傳感器的應(yīng)用課后提升訓(xùn)練：１．答案：D２．（1）S2是自動(dòng)控溫開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時(shí)自動(dòng)閉合，當(dāng)溫度高于80℃時(shí)又自動(dòng)斷開(kāi)， （2）加熱時(shí)電飯煲消耗的電功率U2／R并，保溫時(shí)電飯煲消耗的電功率為U2／（R1﹢R并），R并＝R2R3／（R2﹢R3）＝500×50／（500﹢5