2 传感器的应用
学 习 目 标 1．了解传感器在日常生活和生产中的应用．(重点) 2．了解传感器的一般应用模式． 3．会设计简单的有关传感器应用的控制电路，提升分析问题、解决问题的能力．(难点) [自 主 预 习·探 新 知] [知识梳理]
一、传感器应用的一般模式
知 识 脉 络
二、 传感器的应用实例 1．力传感器的应用——电子秤
(1)组成及敏感元件：由金属梁和应变片组成，敏感元件是应变片． (2)工作原理：
金属梁
金属梁发应变片的两应变片上电压
自由端???
生弯曲电阻变化的差值变化
受力F(3)作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量． 2．温度传感器的应用实例
电熨斗 电饭锅 敏感元件 双金属片 工作原理 温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断 (1)居里温度：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“居里温度” (2)自动断电原理：用手按下开关通电加热，开始煮饭，当
感温铁氧体
锅内加热温度达到103 ℃时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开 3.光传感器的应用——火灾报警器 (1)组成：如图6-2-1所示，发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．
图6-2-1
(2)工作原理：平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，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．
[基础自测]
1．思考判断
(1)传感器可以直接用来进行自动控制．(×) (2)传感器可以用来采集信息．(√)
(3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量．(×) (4)鼠标是力传感器．(×) (5)电吉他是光电传感器．(×)
2．为了节约能源，合理适时地使用路灯，要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的某种特性制成自动点亮熄灭的装置，实现了自动控制．这是利用半导体的( ) A．压敏性 C．热敏性
B．光敏性
D．三种特性都利用了
【解析】 由题意可知，这一装置要对光敏感，能区分白天(光线强)与夜晚(光线暗)，所以选项B正确；虽然白天与夜晚温度也不相同，但温度除与昼夜有关外，还与季节有关，因此C错误；灯的亮熄与压力更无关系，A、D错误． 【答案】 B
3．如图6-2-2所示，实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时，数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况．从图中可知道该钩码的重力约为____N，A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为________，处于失重状态的为________.
【导学号：57272139】
图6-2-2
【解析】 当拉力的大小不变时，力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动，此时力传感器的读数就是钩码的重力，约10 N．当力传感器读数大于重力时，钩码处于超重状态，即A、D状态．当力传感器读数小于重力时，钩码处于失重状态，即B、C状态． 【答案】 10 A、D B、C
[合 作 探 究·攻 重 难]
传感器问题的分析思路
物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件．可以把传感器的应用过程分为三个步骤： (1)信息采集．
(2)信息加工、放大、传输． (3)利用所获得的信息执行某种操作．
用如图6-2-3所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加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 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)．
图6-2-3
(1)若传感器a的示数为14 N，b的示数为6 N，求此时汽车的加速度大小和方向．
(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？ 【解析】 (1)如图所示，
依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14 N，右侧弹簧对滑块的向左的推力
F2＝6 N，滑块所受合力产生加速度a1， 根据牛顿第二定律有
F1－F2＝ma1 可得a1＝
F1－F214－6
＝ m/s2＝4 m/s2 m2
a1与F1同方向，即向前(向右)．
(2)a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F′1＝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F′2＝20 N. 滑块所受合力产生加速度a2，由牛顿第二定律得
F合＝F′2＝ma2 可得a2＝
F′2
＝10 m/s2，方向向左． m【答案】 (1)4 m/s2 方向向右 (2)以方向向左、大小为10 m/s2的加速度运动
力传感器是一种测量力的大小的工具.此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合.当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能，即沿某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种.
[针对训练]
1．如图6-2-4所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大．这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量．若滑动变阻器上A、B间长度为l，最大阻值为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k，试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系．
图6-2-4
【解析】 设称重物G时弹簧的压缩量为x，由题意得
G＝kx ①
此时，滑动头P距B端距离为l－x，滑动变阻器有效电阻为R0－R0， 由欧姆定律有I＝
xlEx??
R0＋?R0－R0?
l??
②
Ekl由①②式解得G＝2kl－.
IR0Ekl【答案】 G＝2kl－
IR0常见传感器
1．生活中的传感器
(1)与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器．
(2)红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等．
(3)照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等． 2．农业生产中的传感器
(1)湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水．
(2)温度传感器和湿度传感器：可对上百个点进行温度和湿度监测．由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象． 3．工业生产中的传感器
(1)生产的自动化和半自动化．用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作．各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等．
(2)在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工． 4．飞向太空的传感器
在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用．这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用．在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等．
2018-2019学年高中物理选修3-2第6章 2 传感器的应用
