2018_2019学年高中物理第六章传感器传感器应用典例分析学案新人教版选修3_2.doc

第六章 传感器
传感器应用典型分析
一、温度传感器的应用
例1．如图所示是电饭煲的电路图，1S 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，2S 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12500ΩR R ==，加热电阻丝350ΩR =，两灯电阻不计。

（1）分析电饭煲的工作原理。

（2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。

（3）简要回答，如果不闭合开关1S ，能将饭煮熟吗？
【思路点拨】先搞清楚1S 、2S 两控温开关的作用，在明确控温过程。

【答案】见解析
【解析】本题考查了温度传感器的实际应用，解题关键是清楚1S 、2S 两控温开关的作用。

（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，2S 自动闭合，同时手动闭合1S ，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80℃时，2S 自动断开，1S 仍闭合；水烧开后，温度升高到居里点103℃时，开关1S 自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70℃时，2S 自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80℃时，2S 又自动断开，再次处于保温状态。

（2）加热时电饭煲消耗的电功率2
2U P R =并
，保温时电饭煲消耗的电功率221U P R R =+并，两式中
23223500505005005011
R R P R R ⨯==Ω=Ω++。

从而有1125005001112500
11
R R P P R ++===并并。

（3）如果不闭合开关1S ，开关2S 总是闭合的，1R 被短路，功率为1P ，当温度上升到80℃时，2S 自动断开，功率P 降为2P ，温度降低到70℃，2S 自动闭合……温度只能在7080℃～℃之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。

【总结升华】熟悉电饭煲的工作原理，明确控温过程是解题的关键。

例2．图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻120 k ΩR =，210 k ΩR =，340 k ΩR =，T R 为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。

当a b 、端电压0ab U ＜时，电压鉴别器会令开关S 接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当0ab U ＞时，电压鉴别器会令开关S 断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在________℃。

【答案】35℃
【解析】本题考查了自动恒温箱的原理，抓住0ab U =的临界状态进行研究。

设电路路端电压为U ，当0ab U =时，有
13123T
U U R R R R R R =⋅++，解得 T 20 k ΩR =。

由图乙可知，当T 20 k ΩR =时，
35t =℃．
【总结升华】0ab U =时求T R 的值是电路计算问题，T 20 k ΩR =时的温度由图象获取。

二、光传感器的应用
例3．如图甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定。

电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻R 的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性设计一个自动光控电路。

【思路点拨】由光敏电阻的特性曲线判断：当入射光增强时，光敏电阻的阻值变化，流过光敏电阻的电流变化。

根据题意设计出的路灯自动控制电路。

【答案】如图所示
【解析】由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。

根据题意设计的路灯自动控制电路如图所示。

控制过程是：当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合使两个常闭触点断开；当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作。

【总结升华】光传感器是重要的传感器之一，人们运用硫化镉对可见光敏感的特性，制作路灯自动开关、光照自动调节装置等自控设备。

利用某些半导体材料对红外线敏感的特性，制作遥控设备，广泛地应用在电视机、录像机、空调、影碟机等家庭用电器的操作中，由于对红外线敏感的元件对可见光不敏感，用它制作的装置不受可见光影响，因此它的应用十分广泛。

例4．如图所示，电源两端的电压恒定，L 为小灯泡，R 为光敏电阻，D 为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R 与D 距离不变，下列说法中正确的是 （ ）
A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大
B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小
C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变
D．无论怎样移动触头P，L消耗的功率都不变
【答案】A
【解析】本题考查了光敏电阻的特性及电路分析知识。

电源电压恒定，也就是说，并联电路两端的电压恒定，当滑动触头向左移动时，发光二极管发光变强，光敏电阻的电阻变小，所以电流变大，则L的功率变大。

【总结升华】搞清光敏电阻的特点和注意电源电压是恒定的是解决本题的关键。

三、电磁继电器与自动控制
例5．如图所示为低压控制电路操纵路灯工作的电路，试分析其工作原理。

【思路点拨】先搞清楚电磁继电器的工作原理，再分析控制电路原理。

【答案】见解析
【解析】（1）电磁继电器的工作原理
因集成电路允许通过的电流较小，白炽灯泡工作电流较大，所以使用继电器来启闭工作电路。

如图所示，虚线框内是电磁继电器，D为动触点，E是静触点。

当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动触点D向下与E接触，工作电路接通；当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路。

（2）控制电路原理
R阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出天较亮时，光敏电阻
G
R电阻增大，斯密特触发器高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻
G
输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线
圈A ，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，G R 阻值减小，斯密特触发器输入端A 电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y 突然由低电平跳到高电平，则线圈A 不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。

【总结升华】在控制电路中之所以并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。

二极管的存在可以提供自感电流的通路。

四、温度报警器
例6．型号为74LS14的集成块里面有6个非门，其引脚如图甲所示，这种非门由于性能特别，称为斯密特触发器。

当加在它的输入端A 的电压逐渐上升到某个值（1.6 V ）时，输出端Y 会突然从高电平跳到低电平（0.25 V ），而当输入端A 的电压下降到另一个值的时候（0.8 V ），Y 会从低电平跳到高电平（3.4 V ）。

斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行自动控制所必须的。

现用斯密特触发器与热敏电阻T R 组成温度报警器，电路如图乙所示，图中蜂鸣器可以选用YMD 或HMB 型，它两端的直流电压为4 V 6 V ～时会发出鸣叫声；T R 为热敏电阻，常温下阻值约几百欧，温度升高时阻值减小。

1R 的最大电阻可在1 k Ω 2 k Ω～间选择。

接通电源后，先调节1R ，使蜂鸣器在常温下不发声。

再用热水使热敏电阻的温度上升，到达某一温度时就会发出报警声。

请你说明这个电路的工作原理。

想一想：怎样能够使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？
【答案】见解析
【解析】该电路的工作原理是：常温下，调整1R 的阻值使斯密特触发器的输入端A 处于低电平，则输出端Y 处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻研阻值减小，斯密特触发器输入端A 电势升高，当达到某一值（高电平）时，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，1R 的阻值不同，报警温度不同。

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小1R 的阻值，1R 阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。

【总结升华】斯密特触发器是具有特殊功能的非门，常用符号表示；在逻辑电路中，经常把电势的高低叫做“电平”的高低，“输出低电平”的意思是，输出端处于低电势的状态。

五、传感器的其他应用
例7．如图甲所示是一种悬球式加速仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度。

金属球的质量为m，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计；电阻丝的中心C焊拉一根导体丝，从O点引出一根导线，两线之间接入一个电压表V，金属丝和导线电阻不计。

图中虚线OC与AB垂直，且OC h
=，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中，使AB沿前进的方向。

列车静止时金属丝呈竖直状态，当列车加速或减速前进时，金属丝偏离竖直方向，从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小。

（1）当列车向右做匀加速直线运动时，试导出加速度a与电压表读数U＇的关系式（用U U L h
、、、
＇及重力加速度g等表示）。

（2）用导出的a与U＇的关系式说明表盘上a的刻度是否均匀？
（3）C点设置在电阻丝AB中点的原因是________，对电压表的选择有什么特殊要求________。

【思路点拨】画出受力图，由牛顿第二定律及几何关系得出加速度与有效电阻丝长度及高度的的关系，再用电压与电阻的关系，推出加速度a与电压表读数U＇的关系式（用U U L h
、、、
＇及重力加速度g等表示）。

分析这个关系得出第二问；考虑加速度的方向性做出第三问。

【答案】见解析
【解析】（1）设列车加速度为a时，小球偏离竖直方向θ角，此时小球受力情况如图乙所示，根据牛顿第二定律得：
tan
mg ma
θ=，①
因为tan
DC
h
θ=②
由①②两式得：
DC
a g
h
=⋅；③
又设列车加速度为a 时，电压表读数为U ＇， 'DC AB R U DC U R L
==， ④ 由④得'U L DC U
=
， ⑤ ⑤代入③得'U L a g Uh =⋅。

⑥ （2）由⑥式可知，g L U h 、、、均为常数，则列车加速度。

与电压表读数U ＇成正比，可将电压表上的刻度一一对应地改成加速度a 的数值，因而可知表盘上加速度a 的刻度与电压表上刻度一样是均匀的。

（3）列车可能加速运动也可能减速运动（加速度方向变化）；电压表中间刻度为零。

【总结升华】加速度传感器实际上是变式加速度计，它将加速度信号转化为电压信号输出，关键要找到加速度与输出电压的关系。

例8．如图所示装置为一监测锅炉内的压力大小的报警器，在压力小于某个安全值时，绿灯亮；当压力超过安全值时，红灯亮、电铃响，进行报警。

试说明其工作原理。

【答案】见解析
【解析】当炉内温度超过安全值时，活塞推动金属片使12、触点连接，电磁铁通电把衔铁吸下来，使35、点接通，红灯亮，电铃响，从而起到报警作用。

【总结升华】本题关键是看懂电磁继电器电路和指示灯电路，并能分析得到两电路之间的联系。

例9．如图所示是电熨斗温度自动控制装置的示意图。

（1）正常使用时，上、下触点应是分离的还是接触的？
（2）双金属片温度升高时，哪一层形变大？
（3）假设原来温度上升到80℃时，断开电源，现在要求60℃时断开电源，应怎样调节调温旋钮？
【思路点拨】双金属片是将温度转化为双金属片的形变。

【答案】（1）接触（2）上层片的形变大（3）向上调节
【解析】（1）由于常温时电熨斗是通电发热的，故上、下触点必须接通而使电热丝工作。

（2）由于上层金属片的膨胀系数比下层金属片的大，则上层金属片的形变大。

（3）应向上调节调温旋钮，使之减小对双金属片的压力，使双金属片受热时易于和触点分离断电。

【总结升华】感温双金属片是将温度转化为双金属片的形变，而应力双应变片是将应变片的形变量转化为电压输出。