42 常见传感器的工作原理及应用 —人教版高中物理选择性必修第二册课件

(2)力传感器的工作原理如图所示：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 ，下表面的电阻变 小
F越大，弯曲形变越 大 ，应变片的阻值变化就越 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 ，下面应变片两端的电压变 小 ．因此可得，外力越 大，得出的电压差值也就越 大 ．
(1)求托盘上未放置物体时，在托盘自身重力作用下，P1与 A端的距离x1；
(2)求托盘上放置质量为m的物体时，P1与A端的距离x2； (3)在托盘上未放置物体时通常先校准零点，其方法是：调 节P2，使P2离A端的距离也为x1，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．
【答案】 (1)mk0g (2)m＋km0g (3)m＝kgLEU
【点评】 力传感器能够把物体的形变转换为电压或电流 的变化，外力越大，电压或电流的变化就越大，由变化的差值 大小，可以得知外力的大小．力传感器的种类繁多，在具体应 用中，应能依据其特性，综合利用其他知识进行分析与计算．
总结提能 物理传感器是将所感受到的物理量(如力、热、 光等)转换为便于测量的电学量的器件．我们可以把传感器的应 用过程分为三个步骤：
5．光传感器的应用——火灾报警器 烟雾式火灾报警器的结构如图，烟雾上升，到达天花板底 下，烟感报警器通过烟发现火灾，所以烟雾式火灾报警器安装 在 天花板 上．
有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔 的罩子内装有 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．
第四章
传感器
2 常见传感器的工作原理及应用
01课前自主学习 03课堂效果检测
02课堂考点演练 课时作业
1．传感器工作的一般模式
声控电灯开关是如何工作的？
提示：话筒作为声音传感器，把声音转化为电信号，集成电路 把电信号放大，使继电器工作，完成对电灯开关的控制．
2．力传感器的应用——电子秤 (1)力传感器的构造：它是由 金属梁和应变片组成，应变片 是一种敏感元件，多用 半导体材料 制成．
(1)由力的平衡知识得m0g＝kx1，解得x1＝mk0g. (2)放上物体m重新平衡后，有m0g＋mg＝kx2， 解得x2＝m＋km0g.
(3)由闭合电路欧姆定律得 U＝IR串(R串为P1、P2间的电阻，I为通过滑线电阻的电流)， 又E＝IR，因而有UE＝RR串＝Lx(x为P1、P2间的距离)， 则x＝x2－x1＝mkg，联立解得m＝kgLEU.
用电饭锅烧水，水开后能否自动断电？
提示：不能，因为水沸腾后水温保持100℃不变，没有达到 居里点，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103 ℃ 才能自动断电．
考点一 力传感器的应用
1．应变式力传感器的构造 如图所示，应变式力传感器由金属架和应变片组成．其中， 应变片是一种敏感元件．
2．应变式力传感器的工作原理 如上图所示，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 表面应变片的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻 值变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上表 面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小．因 此可得，力F越大，输出的电压差值就越大． 3．应变式力传感器的作用 应变式力传感器能够把压力这个力学量转换成电压这个电 学量．
1.对应变片的认识 应变片一般是用半导体材料制成的，当应变片的表面被拉 伸时，其电阻变大，当它的表面被压缩时，其电阻变小．作用 在应变式力传感器上的力越大，它输出的电压差值越大．
2．认识电容式力传感器 下图是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动 膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变 化，这样就可以知道F的变化情况．
解答本题的关键是掌握以下两点： (1)物体放在托盘上，物体和托盘重力的大小与弹簧的弹力 大小相等，故弹簧的形变量可由胡克定律求出； (2)电阻AB间的电流保持恒定，两滑动头间的电压与两触 点间的距离成正比，而两触点间的距离与弹簧的形变量相等．
【解析】 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 均匀滑线电阻，则其阻值与长度成正比．
(3)应变片能够把 物体形变 这个力学量转换成 电压 这个电学量．
3．温度传感器的应用——电熨斗 (1)电熨斗的构造(如图所示)：
(2)双金属片温度传感器的作用是 控制电路通断 ，双金属 片上层金属的膨胀系数大于下层金属．
4．温度传感器的应用——电饭锅 电饭锅中的温度传感器主要元件是 感温铁氧体 ，它具有 这样的性质：常温下具有 铁磁性 ，能被磁体吸引，当温度上 升到约103 ℃时，就失去 铁磁性 ，不能被磁体吸引，因此 103 ℃这个临界温度直接决定了开关的动作．
【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，总阻值为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.
(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．
加速度传感器如图甲所示．较重的滑块2可以在光滑的框 架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑 片，它与滑动变阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离成 正比．工作时将框架固定在被测物体上，使弹簧及滑动变阻器 R均与物体的运动方向平行．当被测物体加速运动时，滑块将 在弹簧的作用下，以同样的加速度运动．通过电路中电压表的 读数，可以得知加速度的大小．电压表为指针式直流电压表(可 视为理想电压表)．