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1、第六章 传感器 2 传感器的应用 学习目标 1.知道传感器应用的一般模式. 2.知道力传感器在电子秤上的应用. 3.知道温度传感器在电熨斗、电饭锅上的应用. 4.知道传感器在火灾报警中的应用. 自主探究 1.常用的力传感器是由 和应变片组成的.应变片是一种 元件,现在多用 材料制成. 2.电熨斗中的双金属片温度传感器的作用是 ,双金属片上层金属的膨胀系数 下层金属. 3.电饭锅中的温度传感器的主要元件是 .它的特点是常温下具有铁磁性,温度上升 到约为 时,就失去了铁磁性. 4.烟雾散射式火灾报警器是利用 来工作的. 合作探究 一、力传感器的应用电子秤 思考讨论: (1)电子秤使用的测力装置是什
2、么?它是由什么元件组成的? (2)力传感器的工作原理是什么? (3)应变片能够把什么力学量转化为什么电学量? 二、温度传感器的应用电熨斗 活动体验:取一个报废的日光灯启动器,去掉外壳,敲碎氖泡的玻璃,可以看到一个 U 形的双 金属片,双金属片的旁边有一根直立的金属丝,两者构成一对触点.常温下触点是分离的.用火焰 靠近双金属片,可以看到双金属片的形状发生变化,与金属丝接触;把火焰移开,双金属丝逐渐恢 复原状,两个触点分离.把这个启动器用作温控开关,可以控制小灯泡的亮和灭. 思考讨论:电熨斗在达到设定的温度后就不再升温,当温度降低时又会继续加热,使它总与 设定的温度相差不多.在熨烫不同的织物时,设
3、定的温度可以不同.进行这样的控制,靠的是温度 传感器.观察电熨斗的结构图,思考下列问题. (1)常温下,电熨斗的上、下触点应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)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? 三、温度传感器的应用电饭锅 活动体验:取一块电饭锅用的感温铁氧体,使它与一块小的永磁体吸在一起.用功率较大的 电烙铁给铁氧体加热,经过一段时间后会与永磁体分开. 思考讨论:观察电饭锅的结构示意图,思考下列问题. (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会恢复到图示的状态?为什 么? (2)煮饭时水沸腾后锅内是否会
4、大致保持一定的温度?为什么? (3)饭煮熟后,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? 四、光传感器的应用火灾报警器 思考讨论:阅读课本 P59“光传感器的应用火灾报警器”的内容,思考并回答问题. (1)烟雾散射式火灾报警器的组成有哪些? (2)烟雾散射式火灾报警器的工作原理是什么? 课堂检测 1.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
5、 2.下列关于电熨斗的说法正确的是( ) A.电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片,两片金属的膨胀系数相同 B.常温下,上下触点是接触的;温度过高时,双金属片发生弯曲,使上下触点分离 C.需要较高温度熨烫时,要调节温度旋钮,使升降螺钉下移并推动弹性铜片下移 D.电熨斗中的双金属片是一种半导体材料 3.关于电饭锅的说法正确的是( ) A.电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁 B.感温铁氧体在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性 C.用电饭锅烧水,水开时能自动断电 D.用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位 4.如图所示,M是一小型理想变压器,接线柱a、b接在电压u=311si
6、n 314t(V)的正弦式交流 电源上,变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器, 电流表 A2为值班室的显示器,显示通过R1的电流,电压表 V2显示加在报警器上的电压(报警器 未画出),R3为一定值电阻.当传感器R2所在处出现火警时,以下说法中正确的是( ) A.A1的示数不变,A2的示数增大 B.A1的示数增大,A2的示数减小 C.V1的示数不变,V2的示数减小 D.V1的示数增大,V2的示数增大 5.如图是自动调温式电熨斗,下列说法正确的是( ) A.常温时上下触点是接触的 B.双金属片温度升高时,上金属片形变较大,双金属片将向下弯曲 C.原来温度控制
7、在 80 断开电源,现要求 60 断开电源,应使调温旋钮下调一些 D.由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态,应使调温旋钮下移一些 6.在家用电热灭蚊器中,电热部分主要元件是 PTC 元件,PTC 元件是由钛酸钡等半导体材 料制成的电阻器,其电阻率随温度t的变化关系如图所示,由于这种特性,PTC 元件具有发热、 保温双重功能.对此,以下判断正确的是( ) 通电后,其电功率先增大,后减小 通电后,其电功率先减小,后增大 当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1不变 当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1和t2之间的某一值不变 A. B. C. D. 7.电子打火机的点火原理是
8、压电效应,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, 下 列说法正确的是( ) A.电梯一定加速上升 B.电梯一定减速下降 C.电梯加速度一定向上 D.电梯加速度一定向下 8.电容式话筒的保真度比动圈式话筒好,其工作原理如图所示,Q是绝缘支架,薄金属膜片 M和固定电极N形成一个电容器,被直流电源充电,当声波使膜片M振动时,电容发生变化,电路 中形成变化的电流.当膜片M向右运动的过程中有( ) A.电容变大 B.电容变小 C
9、.导线AB中有向左的电流 D.导线AB中有向右的电流 9.如图所示,“神舟九号”飞船发射升空时,火箭内测试仪台上放一个压力传感器, 传 感器上面压一质量为M的物体,火箭点火后从地面加速升空,当升到某一高度时,加速 度为a=,压力传感器此时显示物体对平台的压力为点火前压力的,已知地球的半 2 17 16 径为R,g为地面附近的重力加速度,则此时火箭离地面的高度为 . 10.如图所示是一种自动控制水温的装置,加热电路的两个端点P、Q应接在触头a、b之 间还是c、d之间?热敏电阻两端M、N应接在哪两个触头之间? 11.光电管在各种自动化装置中有很多应用,街道的自动控制路灯就是其应用之一,如图所 示为
10、其模拟电路,其中A为光电管,B为电磁继电器,C为照明电路,D为路灯,试简述其工作原理. 12.用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀变速直线运动的加速度.该装置是 在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器.用两根相同的轻弹簧夹着 一个质量为 2.0 kg 的滑块,滑块可无摩擦滑动,两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上,其压力 大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出.现将该装置沿运动方向固定在汽车上,传感器b在前, 传感器a在后.汽车静止时,传感器a、b的示数均为 10 N.(g取 10 m/s2) (1)若传感器a的示数为 14.0 N,b的示数为 6.0 N,求此时汽车
11、的加速度大小和方向; (2)当传感器a的示数为零时,求此时车的加速度大小和方向. 参考答案 自主探究 1.金属梁 敏感 半导体 2.控制电路的通断 大于 3.感温铁氧体 103 4.烟雾对光的散射 合作探究 一、力传感器的应用电子秤 (1)测力装置是力传感器,力传感器是由金属梁和应变片组成的. (2)力传感器的工作原理: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,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,那么上面应变片两端的电压变大,
12、下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. (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. 二、温度传感器的应用电熨斗 (1)常温下,电熨斗的上、下触点应是接触的,但温度过高时,由于双金属片受热膨胀系数不 同,上部金属片膨胀大,下部金属片膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源,停 止加热.温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的 作用. (2)熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度,此时可通过调温旋钮调节升降螺 钉,升降螺钉带动弹性铜片升降,从而改变触点接触的难易,达到控制
13、在不同温度的目的. 三、温度传感器的应用电饭锅 (1)按下开关,电热板电源的开关闭合,电热板开始加热.手松开后,由于永磁体吸引感温磁体, 因此开关按钮不会恢复到图示状态. (2)煮饭时水沸腾后锅内大致保持在 100 的温度,因为里面还有水,沸腾后温度不能再上 升. (3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会上升到 103 左右,致使感温磁体的磁性消失,弹 簧开关自动弹起使电热板断电. (4)如果用电饭锅烧水,水沸腾后锅内大致保持在 100 的温度,不会自动断电. 四、光传感器的应用火灾报警器 (1)烟雾散射式火灾报警器由发光二极管 LED、光电三极管和不透明的挡板组成. (2)烟雾散射式火灾报
14、警器的工作原理: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. 课堂检测 1.A 解析:红外报警装置正是把光信号转化为电信号的器件. 2.BC 解析:电熨斗中装有双金属片传感器,且上层金属的热膨胀系数大于下层,故 A 项错; 常温下,上下触点是接触的;温度过高时,双金属片发生弯曲使上下触点分离;需要较高温度熨烫 时,要调节温度旋钮,使升降螺钉下移并推动弹性铜片下移,故 B、C 两项正确. 3.BD 解析:电饭锅中的温度传感器的主要元件是感温铁氧体,它是由氧化锰、 氧化锌和氧 化铁粉末混合烧结而成的.其特点是常温下具有铁
15、磁性,能够被磁体吸引,温度达到约 103 ,失 去铁磁性.水沸腾后,由于锅内保持100 不变,故感温铁氧体仍与永磁体相吸,继续加热,直到饭 熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至103 时,感温铁氧体失去铁磁性,在弹簧作用 下,永磁体被弹开,触点分离,它不能自动复位,切断电源,从而停止加热. 4.BC 解析:U1为交变电压u的有效值,故恒定.当传感器R2处出现火警时,R2的电阻减小, 副线圈两端电压U副恒定,R2减小时,总电流I3增大,则U3增大,由U1I1=U副I3可知,I1增大,因U2=U 副-U3,故U2减小,I2减小,B、C 两项正确. 5.ABD 解析:常温工作时,上下触点是
16、接触的;当温度升高时,上层金属片形变大,向下弯曲, 切断电源;原来温度控制在 80 断开电源,现要求 60 断开,应使调温旋钮上调一些;熨烫棉麻 衣物时,温度要升高,则应使调温旋钮下移一些,A、B、D 三项正确. 6.D 解析:当电热灭蚊器温度由 0 升到t1的过程中,电阻器的电阻率随温度升高而减小, 其电阻R随之减小,由于加在灭蚊器上的电压U保持不变,灭蚊器的热功率P随之增大,当t=t1 时,P=P1达到最大.当温度由t1升高到t2的过程中,增大,R增大,P减小;而温度越高,其与外界 环境温度的差别也就越大,高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P也就越大;因此在这之间的 某一温度t3会有P=P
17、3=P,即电热功率P减小到等于散热功率时,即达到保温;当tP,使 温度自动升高到t3;当tt3时,PP,使温度自动降为t3,实现自动保温. 7.C 解析:电压表示数增大说明人对地板的压力变大,对人受力分析知,地板对人的支持力 大于人所受重力,即人的加速度一定向上,所以电梯可能向上加速,也可能向下减速. 8.AC 解析:当声波使膜片M向右运动时,电容器极板间距减小,电容变大,电荷量Q=UC变 大,电源要继续给电容器充电,所以导线AB中有向左的电流,故 A、C 两项正确. 9.解析:设此时火箭升空的高度为h,此处的重力加速度为g,则有 F-Mg=Ma, 由万有引力定律得(R+h)2g=R2g, 又
18、F=Mg, 17 16 由以上解得h= . 3 答案: 3 10.解析:P、Q应该分别接到触头a、b之间.同时,M、N应该分别接e、f,其工作原理是:当 水温升高时,热敏电阻阻值减小,电磁铁中电流增大,吸引力增大,使衔铁被吸下,a、b断开,使加 热装置停止加热;当水温降低到一定程度时,热敏电阻温度降低,电磁铁中电流减小,吸引力减小, 衔铁被弹簧拉上去,使a、b之间连接,加热装置开始加热,从而实现水温控制. 答案:P、Q应该分别接在触头a、b之间 M、N应分别接e、f 11.解析:开关合上后,白天,光电管在可见光照射下有电子逸出,从光电管阴极逸出的电子被 加速到达阳极,使电路接通,电磁铁中的强电
19、流产生的磁场将衔铁吸住,照明电路断开,灯泡不亮. 夜晚,光电管无光照射就无电子逸出,电路断开,电磁铁中无电流通过,弹簧将衔铁拉下,照明电路 接通,这样就达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果. 答案:见解析 12.解析:传感器上显示出的力的大小,即弹簧对传感器的压力,据牛顿第三定律知,此即为弹 簧上的弹力大小,即该弹簧对滑块的弹力大小. (1)如图所示,依题意:左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14.0 N,右侧弹簧对 滑块向左的推力F2=6.0 N. 滑块所受合力产生加速度a1,根据牛顿第二定律得,F1-F2=ma1 解得,a1= m/s2=4.0 m/s2,a1与F1同向,即向前(向右). 1- 2 14.0 - 6.0 2.0 (2)a传感器的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F1=0,因两弹簧相同,左侧弹簧伸长多少,右侧 弹簧就缩短多少,所以右侧弹簧的弹力变为F2=20 N. 滑块所受合力产生加速度,由牛顿第二定律得F合=F2=ma2 解得,a2=10 m/s2,方向向后(向左). 2 答案:(1)4.0 m/s2 向右 (2)10 m/s2 向左