河北省邢台市高中物理 第六章 传感器6.3 传感器的应用

河北省邢台市高中物理 第六章 传感器6.3 传感器的应用

6.3 传感器的应用 实验：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. 2.了解传感器应用的一般模式. 3.能设计简单的应用传感器的控制电路. 4.利用斯密特触发器设计光控开关和温度报警器． 一、力传感器的应用——电子秤 1．组成及敏感元件：由金属梁和 组成，敏感元件是 ．(如图 1 所示) 图 1 2．工作原理： 金属梁自由端受力F―→梁发生弯曲―→应变片的电阻变化―→ 两应变片上电压的差值变化 3．作用： 应变片能够把物体 这个力学量转化为 这个电学量． 二、温度传感器的应用——电熨斗 [问题设计] 如图 2 所示为电熨斗的构造，其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属． 图 2 (1)常温下，电熨斗的上、下触点应当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)熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度，这是如 何利用调温旋钮来实现的？ [要点提炼] 双金属片温度传感器的工作原理：温度变化时，因双金属片上层金属与下层金属的 不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的 ． 三、温度传感器的应用——电饭锅 [问题设计] 电饭锅的结构如图 3 所示． 图 3 (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大致保持一定的温度？为什么？ (3)饭熟后，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？ [要点提炼] 电饭锅中温度传感器为 ． 1．居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约 时，失去铁磁 性，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”． 2．自动断电原理：用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到 时，感温铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧弹开，从而推动杠杆使 触点开关 ． 四、光传感器的应用——火灾报警器 1．组成：如图 4 所示， 二极管 LED、 三极管和不透明的挡板． 图 4 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． 五、光控开关和温度报警器 [问题设计] 如图 5 所示的光控电路，用二极管 LED 模仿路灯，RG 为光敏电阻，R1 的最大阻值为 51 kΩ，R2 阻值为 330 Ω.试分析其工作原理． 图 5 [延伸思考] 要想在天更暗时路灯才会被点亮，应该怎样调节 R1? [要点提炼] 1．斯密特触发器：斯密特触发器是具有特殊功能的 门，它可以将连续变化的 信号转换为突变的 信号，常用符号 表示． 原理：当输入端电压逐渐上升到某一个值(1.6 V)时，输出端会突然从 电平跳 到 电平(0.25 V)，当输入端电压下降到另一个值(0.8 V)时，输出端会从 电平 跳到 电平(3.4 V)． 2．普通二极管：具有 导电性． 3．发光二极管：具有 导电性，同时还能 ． 4．光控开关工作原理电路图(如图 6 甲、乙所示) 图 6 5．温度报警器工作原理电路图(如图 7 所示) 图 7 的阻值不同，则报警温度不同，可以通过调节 来调节蜂鸣器的报警温度． 一、传感器的应用举例 例 1 按 图 8 所 示 连 接 好 电 路 ， 合 上 S ， 发 现 小 灯 泡 不 亮 ， 原 因 是 ________________________________________________________________________； 用 电 吹 风 对 热 敏 电 阻 吹 一 会 儿 ， 会 发 现 小 灯 泡 ________ ， 原 因 是 ________________________________________________________________________； 停止吹风，会发现_______________________________________________________； 把 热 敏 电 阻 放 入 冷 水 中 会 发 现 _____________________________________________． 错误！未找到引用源。 图 8 例 2 电饭煲的工作原理如图 9 所示，可分为两部分，即控制部分：由 S2、R1 和黄灯 组成．工作(加热)部分：由发热电阻 R3、R2 和红灯组成，S1 是一个磁铁限温开关， 手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103℃)时，自动断开，且不能自动复位(闭 合)，S2 是一个双金属片自动开关，当温度达到70℃～80℃时，自动断开，低于70℃ 时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过的电流必须较小，所以 R1、R2 起________ 作用，R3 是发热电阻，由于煮饭前温度低于 70℃，所以 S2 是________(填“断开的” 或“闭合的”)．接通电源并按下 S 1 后，黄灯灭而红灯亮，R3 发热，当温度达到 70℃～80℃时，S2 断开，当温度达到 103℃时饭熟，S1 断开，当温度降到 70℃以下 时，S2 闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知 R2________R3(填“＜”“＝” 或“＞”)，若用电饭煲烧水时，直到水被烧干 S1 才会断开，试解释此现象． 图 9 二、温度报警器的应用 例 3 图 10 是一个火警报警装置的逻辑电路图，RT 是一个热敏电阻，低温时电阻值 很大，高温时电阻值很小，R 是一个阻值较小的分压电阻． 图 10 (1)要做到低温时电铃不响，火警时产生高温，电铃响起，在图中虚线处应接入怎样 的元件？ (2)为什么高温时电铃会被接通？ (3)为了提高该电路的灵敏度，即报警温度调得稍低些，R 的值应大一些还是小一些？ 传感器的应用Error! 1．(传感器的应用实例)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小．一同学利用压 敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图 11 甲所示，将压敏电阻平放在升降 机内，受压面朝上，在上面放一物体 m，升降机静止时电流表示数为 I0.某过程中电 流表的示数如图乙所示，则在此过程( ) 图 11 A．物体处于失重状态 B．物体处于超重状态 C．升降机一定向上做匀加速运动 D．升降机可能向下做匀减速运动 2．(传感器的应用实例)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ρ 随温度 t 的变化关系如图 12 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 ( ) 图 12 ①通电后，其电功率先增大后减小 ②通电后，其电功率先减小后增大 ③当其产生的 热量与散发的热量相等时，温度保持在 t1 不变④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．①② B．②③ C．②④ D．①④ 3．(光控开关的分析)逻辑电路在电子线路中有着重要的应用．某同学利用“非”门 电路设计了一个路灯自动控制门电路．天黑了，让路灯自动接通；天亮了，让路灯 自动熄灭．图 13 中 RG 是一个光敏电阻，当有光线照射时，光敏电阻的阻值会明显 减小．R 是可调电阻，起分压作用．“非”门电路能将输入的高压信号转变为低压 信号，或将低压信号转变为高压信号，J 为路灯总开关控制继电器，它在获得高电 压时才启动(图中未画路灯电路)． 图 13 (1)当天黑时，R G 的阻值变________、“非”门电路获得________电压，J 得到 ________电压．(填“大”、“小”或“高”、“低”) (2)如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，现要调节自动控制装置，使得它在天色 较暗时才会自动接通开关，应将 R 的阻值调________(填“大”或“小”)一些． 错误！未找到引用源。 题组一 传感器应用实例 1．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 2．如图 1 所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图，罩 内装有发光二极管 LED、光电三极管和不透明的挡板．平时光电三极管接收不到 LED 发出的光，呈现高电阻状态．发生火灾时，下列说法正确的是( ) 图 1 A．进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出 警报 B．光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报 C．进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出 警报 D．以上说法均不正确 3．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声 音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是( ) A．热敏电阻和光敏电阻 B．金属热电阻和光敏电阻 C．热敏电阻和霍尔元件 D．光敏电阻和驻极体话筒 4．如图 2 所示为用热敏电阻 R 和继电器 L 等组成的一个简单的恒温控制电路，其中 热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电 路，电源乙与恒温箱加热器(图中未画出)相连接．则 ( ) 图 2 A．当温度降低到某一数值，衔铁 P 将会被吸下 B．当温度升高到某一数值，衔铁 P 将会被吸下 C．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在 C、D 端 D．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在 A、C 端 题组二 光控开关和温度报警器的分析 5.如图 3 所示为一个电平检测逻辑电路，A 与被测点相接，则( ) 图 3 A．A 为低电平，LED 发光 B．A 为高电平，LED 发光 C．A 为低电平，LED 不发光 D．A 为高电平，LED 不发光 6.如图 4 所示的光控电路中，发光二极管 LED 模仿路灯，RG 为光敏电阻．“ ” 是具有特殊功能的非门，当加在它的输入端 A 的电势逐渐上升到某个值时，输出端 Y 会突然从高电平跳到低电平，而当输入端 A 的电势下降到另一个值时，Y 会从低电 平跳到高电平．在天暗时路灯(发光二极管)会点亮，下列说法中正确的是( ) 图 4 A．天暗时，Y 处于高电平 B．天暗时，Y 处于低电平 C．当 R1 调大时，A 端的电势降低，灯(发光二极管)点亮 D．当 R1 调大时，A 端的电势降低，灯(发光二极管)熄灭 7．如图 5 是温度报警器电路示意图，下列关于此电路的分析正确的是( ) 图 5 A．当 RT 的温度升高时，RT 阻值减小，A 端电势降低，Y 端电势升高，蜂鸣器会发出 报警声 B．当 RT 的温度升高时，RT 减小，A 端电势升高，Y 端电势降低，蜂鸣器会发出报警 声 C．当增大 R1 时，A 端电势升高，Y 端电势降低，蜂鸣器会发出报警声 D．当增大 R1 时，A 端电势降低，Y 端电势升高，蜂鸣器会发出报警声 题组三 传感器的应用分析 8．如图 6 所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中 L 为含铁芯的线圈．P 为可绕 O 点转动的铁片，K 为弹簧，S 为一对触头，A、B、C、D 为四个接线柱．电磁继电器 与传感器配合，可完成自动控制的要求．其工作方式是 ( ) 图 6 A．A 与 B 接信号电压，C 与 D 可跟被控电路串联 B．A 与 B 接信号电压，C 与 D 可跟被控电路并联 C．C 与 D 接信号电压，A 与 B 可跟被控电路串联 D．C 与 D 接信号电压，A 与 B 可跟被控电路并联 9．某同学设计的家庭电路保护装置如图 7 所示，铁芯左侧线圈 L1 由火线和零线并 行绕成．当右侧线圈 L2 中产生电流时，电流经放大器放大后，使电磁铁吸起铁质开 关 K，从而切断家庭电路．仅考虑 L1 在铁芯中产生的磁场，下列说法正确的有( ) 图 7 A．家庭电路正常工作时，L2 中的磁通量为零 B．家庭电路中使用的电器增多时，L2 中的磁通量不变 C．家庭电路发生短路时，开关 K 将被电磁铁吸起 D．地面上的人接触火线发生触电时，开关 K 将被电磁铁吸起 10．如图 8 所示为一自动控制温度的电路，请说明其工作原理． 图 8