高中物理复习教案.专题复习—传感器

传感器传感器的简单应用[P3.]一、传感器的含义传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如位移、速度、力、温度、湿度、流量、声强、温度、光、声、化学成分等等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和自动控制了。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。二、传感器的分类1.力电传感器2.热电传感器3.光电传感器4.声电传感器5.电容式传感器6.磁电传感器7.超声波传感器8.气敏传感器等[P4.]三、传感器的简单应用1、力电传感器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、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、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。[P5.]例1、如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g。求：（1）托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离xl．（2）托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2．（3）在托盘上未放物体时通常先核准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为xl，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．分析：托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比．解：（1）由力的平衡知识知：10kxgm解得kgmx01非电物理量敏感元件转换器件转换电路电学量→→→→（2）放上重物重新平衡后，20)(kxgmm解得kgmmx)(01（3）由欧姆定律知E=IRU=IRx由LxRRx，其中x为P1、P2间的距离，Rx为P1、P2间的电阻，则kmgxxx12联立解得UgEkLm点评：在有关力电传感器的计算中，必然涉及电路计算，注意欧姆定律及分压原理的应用．[P8.]2、热电传感器热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的升高减小（与金属热电阻的特性相反）的原理制成的,它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。[P9.]例2、如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往Rt上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。分析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减少，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．答案：左右注意：欧姆表的表盘刻度最右侧为0，最左侧为最大值．[P10.]例3、如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（C）A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱分析：R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错．[P11.]3、温度传感器的应用温度传感器是将温度这个热学量转化为电流这个电学量的。例4、家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两重功能，对此以下说法中正确的是（）A．通电后其功率先增大后减小B．通电后其功率先减小后增大RtΩ欧姆表C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至t2的某一值不变D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变解析：根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在在t1至t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为A、C。答案：AC[P13.]例5、一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示．由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．试根据图线分析：（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T_____tT_______范围之内．（填下标数字）答案：（1）冷态时PTC电阻很小，电功率很大，所以升温很快（2）67[P14.]例6、电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。S2是一个自动控温开关，当温度低于70℃时会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。分流电阻R1＝R2＝500Ω，计算加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。（1）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。（2）简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？解：（1）加热时电饭煲消耗的电功率并RUP21，保温时电饭煲消耗的电功率为)RRUP并（122，1150050500505003232RRRRR并从而有1121150011500500121//RRRPP并并（2）如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功率为P1，当温度上升到80℃时，自动断开，功率降为P2，温度降低到70℃，S2自动闭合。温度只能在70℃—80℃之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。[P16.]4、光电传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小的。光敏电阻能够把光强度这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。自动冲水机、路灯的控制、鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。[P17.]练习、如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向_______（填“左”或“右”）转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向_______（填“左”或“右”）转动。简析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将Rt包裹起来电阻增大，电流减小，指针向左偏，反之向右偏．答案：左右[P18.]例7、如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ABC）A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大分析：当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大．[P19.]5、磁电传感器——霍尔元件的应用霍尔元件是将电磁感应这个磁学量转化为电压这个电学量的元件。例8、有一个未知的匀强磁场，用如下方法测其磁感应强度，如图所示，把一个横截面是矩形的铜片放在磁场中，使它的上、下两个表面与磁场平行，前、后两个表面与磁场垂直．当通入从左向右的电流I时，连接在上、下两个表面上的电压表示数为U．已知铜片中单位体积内自由电子数为n，电子质量m，带电量为e，铜片厚度（前后两个表面厚度）为d，高度（上、下两个表面的距离）为h，求磁场的磁感应强度B．解：达到动态平衡时有qvB=qE=qU/hB=U/vh∵I=nevS=nevhd∴vh=I/ned∴B=Udne/I[P20.]例9、电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图7所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与RtΩ欧姆表hBAdVI一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为(A)A．)(acbRBIB．)(cbaRBIC．)(bacRBID．)(abcRBI[P22.]例10、如图所示，厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U，电流I和B的关系为U=k，式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势下侧面Ａ的电势（填高于、低于或等于）。（2）电子所受的洛伦兹力的大小为。（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力的大小为．（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数k=neI，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。解析：（1）首先分析电流通过导体板时的微观物理过程。由于导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，电流是电子的定向运动形成的，电流方向从左到右，电子运动的方向从右到左。根据左手定则可判断电子受到的洛仑兹力的方向向上，电子向A板聚集，A¹板出现多余的正电荷，所以A板电势低于A¹板电势，应填“低于”。（2）电子所受洛仑兹力的大小为evBf（3）横向电场可认为是匀强电场，电场强度hUE，电子所受电场力的大小为hUeeEF（4）电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，由两力平衡有e＝evB可得Ｕ＝hvB通过导体的电流强度微观表达式为nevdh