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精品课件(共56张PPT)

(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)．
【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.
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．
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)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．
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．
(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.
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．
(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，上表面 拉伸 ，下表面 压缩 ，上表面 应变片的电阻变 大 ，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 ．
【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：
(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．
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．