传感器导学案

第六章传感器的应用

一、力传感器的作用及原理

力传感器可以用来测重力、压力、拉力等各种力，应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。

1．应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。

2．力传感器的应用——电子秤

图所示是一个应变式力传感器，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。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让

应变片中通过的电流保持恒定，那么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。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出

的电压差值也就越大。

【例题1】为了锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图所示是原理图。轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起(弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计)，弹簧劲度系数为100 N/cm。定值电阻R0＝5 Ω，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值R1＝25 Ω，电源输出电压恒为U＝3 V，理想电流表的量程为0～0.6 A.当拉环不受力时，滑片P处于a端。下列关于这个电路的说法正确的是(不计电源内阻)()

A．小明在电路中连入R0的目的是保护电路

B．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0.1 A

C．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.3 A处

D．当拉力为400 N时，电流表指针指在0.5 A处

二、温度传感器的工作原理

温度传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，它能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)的温度控制器、火警报警器、恒温箱等．

1．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热膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断.

2．双金属片温度传感器在电熨斗中的应用：

如图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。常温时，电熨斗的上、下触点接触，这样电熨斗接通电源后能进行加热.当温度过高时双金属

片膨胀，因上层的热膨胀系数较大，故上层膨胀的厉害，双金属片向

下弯曲，弯曲到一定程度后，两触点分离，电路断开，电热丝停止加

热；当温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热。

3．感温铁氧体在电饭煲中的应用：

(1)电饭锅中温度传感器的主要元件为感温铁氧体.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，这一温度称为该材料的“居里温度”或“居里点”.

(2)用手按下开关按钮通电加热，开始煮饭，当锅内温度达到103 ℃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断开。

①如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内的温度保持在100 ℃不变，

低于“居里温度”(103 ℃)，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，

温度升高到103 ℃才能自动断电，因此用电饭锅来烧水、煲汤不能

实现自动控温。

②煮饭饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会升高，当温度上升到“居里温度”(约103 ℃)时，感温磁体失去磁性，在弹簧作用下永磁铁与之分离，开关自动断开，且不能自动复位。

【例题2】如图所示是自动调温式电熨斗，下列说法不正确的是()

A．常温时上、下触点是接触的

B．双金属片温度升高时，上金属片形变较大，双金属片将

向下弯曲

C．原来温度控制在80 ℃断开电源，现要求60 ℃断开电源，

应使调温旋钮下移一些

D．由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态，应使调

温旋钮下移一些

【例题3】电饭锅的结构如图所示，如果感温磁体的“居里温度”为103 ℃，下列说法中正确的是() A．常温下感温磁体具有较强的磁性

B．当温度超过103 ℃时，感温磁体的磁性较强

C．饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会达到103 ℃，这时开

关按钮会跳起

D．常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103 ℃，开关

按钮就不会自动跳起

三、光传感器的应用——火灾报警器

光传感器是利用光敏电阻的阻值会随光照强度的变化而变化的原理制成的，它能把光照强度这个光学量转换为电压这个电学量．

如图所示是火灾报警器的内部结构，它由发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板组成，请简述它的工作原理。正常情况下，光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，当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。

【例题4】如图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()

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

四、传感器的应用设计

1．传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用．

(1)“感”是指传感器的敏感元件感应信息，并转化为电学量．

(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取并转化的电学信息传给执行机构．

(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作．

2．传感器电路问题的设计思路

处理与传感器有关的电路设计问题时，可将整个电路分解为：

(1)传感器所在的信息采集部分；

(2)转化传输部分(这部分电路往往与直流电路的动态分析有关)；

(3)执行电路．

【例题5】(2016·全国乙卷)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过I c时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。

在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V，I c约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。

(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。

(2)电路中应选用滑动变阻器_______(填“R1”或“R2”)。

(3)按照下列步骤调节此报警系统：

①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，

这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或

“b”)端附近，不能置于另一端的原因是________________________。

②将开关向____(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至___________。

(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。

【练习题组】