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111 第二節(jié) 傳感器的應(yīng)用 (一) 【知能準(zhǔn)備】 一、力傳感器的應(yīng)用－電子秤 圖－1 1．電子秤理有___________________片、電壓放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器微處理器和數(shù)字顯示器等器件。電阻應(yīng)變片受到力的作用時(shí)，它的_______________會(huì)發(fā)生變化，把應(yīng)變片放在合適的電路中，他能夠把物體______________這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為______________這個(gè)電學(xué)量，因而電子秤是_________________的應(yīng)用。 2．工作原理：如圖－1所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個(gè)應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲,上表面拉伸，下表面壓縮, 上表面應(yīng)變片的電阻__________，下表面應(yīng)變片的電阻變小。F越大， 彎曲形變___________，應(yīng)變片的阻值變化就越大。如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那末上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個(gè)電壓的差值輸出。外力越大，輸出的電壓差值也就____________。 二、聲傳感器的應(yīng)用－話筒 1．話筒是一種常用的____________，其作用是把____________轉(zhuǎn)換成___________。話筒分為_______________，______________，_____________等幾種. 2．電容式話筒：原理：是絕緣支架，薄金屬膜和固定電極形成一個(gè)電容器，被直流電源充電。當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓。 3．駐極體話筒：它的特點(diǎn)是____________，__________，____________，____________。其工作原理同電容式話筒，只是其內(nèi)部感受聲波的是______________. 三、溫度傳感器的應(yīng)用－電熨斗 1．在電熨斗中，裝有雙金屬片溫度傳感器，其作用是____________，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，雙金屬片的____________不同，從而能控制電路的通斷。 2．電熨斗的自動(dòng)控溫原理： N M Q R E=250V 到放大器 電容式話筒原理 圖－2 常溫下，上、下觸點(diǎn)是接觸的，但溫度過高時(shí)，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹_____________，下部金屬膨脹____________，則雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)分離，從而切斷電源，停止加熱溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電源，從而保持溫度不變。 【同步導(dǎo)學(xué)】 一、疑難分析 調(diào)溫旋鈕 升降螺絲 絕緣支架 電熱絲 觸點(diǎn) 雙金屬片 金屬底板 彈性銅片 電熨斗的構(gòu)造 1．電容式話筒：原理如圖－2所示，Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個(gè)電容器，被直流電源充電。當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓。 2.電熨斗的自動(dòng)控溫原理：內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖－3所示，其作用是控制電路的通斷。常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的，但溫度過高時(shí)，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，雙金屬片向下彎曲，使觸電分離，從而切斷電源，停止加熱，溫度降低后，雙金屬片又恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動(dòng)控制溫度的作用。 圖－3 二、方法點(diǎn)撥 傳感器 放大 電路 轉(zhuǎn)換 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 顯示器（指針式或電表式數(shù)字屏） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 傳感器應(yīng)用的一般模式： 三、典型例題： 圖－4 例1．用如圖－4所示的裝置可以測(cè)量汽車在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度。該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個(gè)有力敏電阻組成的壓力傳感器。用兩根相同的輕彈簧夾著一個(gè)質(zhì)量為2.0㎏的滑塊，滑塊可無(wú)摩擦滑動(dòng)，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上其壓力大小可以直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出?，F(xiàn)將裝置沿運(yùn)動(dòng)方向固定在汽車上，傳感器b在前，a在后。汽車靜止時(shí)，傳感器a、b的示數(shù)均為10N（取g=10m／s2） （1）若傳感器a示數(shù)為14N，b的示數(shù)為6.0N，求此時(shí)汽車的加速度和方向? （2）當(dāng)汽車有怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器a的示數(shù)為零？ 圖－5 解析：（１）如圖－5所示左側(cè)彈簧對(duì)滑塊向右的推力Ｆ１＝１４Ｎ，右側(cè)彈簧對(duì)滑塊的向左的推力Ｆ２＝６.０Ｎ，滑塊所受合力產(chǎn)生加速度ａ１，由牛頓第二定律得：Ｆ１－Ｆ２＝ｍａ１，所以ａ１＝４ｍ／ｓ２。同方向，（向右） 圖－6甲 圖－6乙 (2) 傳感器a的讀數(shù)恰為零，即左側(cè)彈簧的彈力 = 0,所以右測(cè)彈簧的彈力變?yōu)?= 20N，由牛頓第二定律有： = ma2，所以 a2 = 10m/s2。方向向左。 例2．動(dòng)圈式話筒和磁帶錄音機(jī)都應(yīng)用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，圖－6甲所式是話筒原理，圖－6乙所式是錄音機(jī)的錄音、放音原理圖，由圖可知: ①話筒工作時(shí)錄音磁鐵不動(dòng)，線圈振動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流. ②錄音機(jī)放音時(shí)變化的磁場(chǎng)在靜止的線圈里產(chǎn)生感應(yīng)電流 ③錄音機(jī)放音時(shí)線圈中變化了的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) ④錄音機(jī)錄音時(shí)線圈中變化的電流在磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場(chǎng) 其中正確的是: A．②③④ B．①②③ C．①②④ D．①③④ 解析：話筒的工作原理是，聲波迫使金屬線圈在磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)中振動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，①正確。錄音時(shí)，話筒產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)放大電路放大后在錄音機(jī)磁頭縫隙處產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)， ④正確。磁帶在放音時(shí)通過變化的磁場(chǎng)使放音磁頭產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)放大電路后再送到揚(yáng)聲器中，②正確。 答案：C 例3．設(shè)計(jì)制作一個(gè)溫度自動(dòng)控制裝置(溫控報(bào)警器)：自己設(shè)計(jì)一個(gè)有熱敏電阻作為傳感器的簡(jiǎn)單自動(dòng)控制試驗(yàn)。在圖－7中畫出設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行連接。 圖－7 解析：將由熱敏電阻為主要元件的溫控電路接入左側(cè)接線柱，報(bào)警器接右側(cè)接線柱。 同步檢測(cè)： 電子秤使用的是 （ ） A．超聲波傳感器 B．溫度傳感器 C．壓力傳感器 D．紅外線傳感器 2．關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是： （ ） A．應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成 B．當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí),其電阻變大，反之變小 C．傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓 D．外力越大，輸出的電壓差值也越大 3．下列器件不是應(yīng)用溫度傳感器的是： （ ） 第4題 A．電熨斗 B．話筒 C．電飯鍋 D．測(cè)溫儀 4．電容式話筒的保真度比動(dòng)圈式話筒好，其工作原理如圖所示，Q是絕緣支架，M是薄金屬膜和固定電極N形成一個(gè)電容器，被直流電源充電，當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，當(dāng)膜片向右運(yùn)動(dòng)的過程中有： （ ） 第5題 A．電容變大 B．電容變小 C．導(dǎo)線AB中有向左的電流 D．導(dǎo)線AB中有向右的電流 5．在家用電熱滅蚊器中，電熱部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由鈦酸鈉等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率ρ隨溫度t的變化關(guān)系如圖所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、保溫雙重功能，對(duì)此，以下判斷正確的是：（ ） ①通電后,其電功率先增大,后減小 ②通電后, 其電功率先減小,后增大 ③當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí),溫度保持在t1不變 ④當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí),溫度保持在t1和t2之間的某一值不變 A．①③ B．②③ C．②④ D．①④ 6．計(jì)算機(jī)鍵盤是由兩片金屬切片組成的小電容器，該電容器的電容可用公式C=εS／d計(jì)算，式中ε=910－12，S為金屬片的正對(duì)面積，d表示兩金屬片間距。當(dāng)鍵被按下時(shí)，此電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能檢測(cè)出那個(gè)鍵被按下了，從而給出相應(yīng)的信號(hào)。設(shè)每個(gè)金屬片的正對(duì)面積為50mm2，鍵未按下時(shí)的金屬片間距為0.6mm。如果電容變化0.25pF，電子線路恰能檢測(cè)出必要的信號(hào)，則鍵至少需要被按下 ( ) A．0.15mm B．0.25mm C．0.35mm D．0.45mm 綜合評(píng)價(jià)： 1．唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)有傳感器，其中有一種是動(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。下列說法正確的是： ( ) A．該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的 B．該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的 C．膜片振動(dòng)時(shí)，穿過金屬線圈的磁通量不變 D. 膜片振動(dòng)時(shí)，金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng) 2．圖中電容式話筒右測(cè)固定不動(dòng)的金屬板b與能在聲波驅(qū)動(dòng)下沿水平方向振動(dòng)的鍍上金屬層的振動(dòng)膜a構(gòu)成一個(gè)電容器，a、 b分別通過導(dǎo)線與恒定電源兩極相接。聲源s做位移X=Asin(200πt)的振動(dòng)，則有： （ ） A．a(chǎn)振動(dòng)過程中a、 b板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度不變 第2題 B．a(chǎn)振動(dòng)過程中話筒會(huì)產(chǎn)生電磁波 Ｃ．導(dǎo)線ac的電流的頻率為1000Hz Ｄ．a(chǎn)向右位移最大時(shí)a 、b板形成的電流最大 3．如圖是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面渡有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對(duì)著話筒說話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在的電路中的其他量發(fā)生變化，使聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是電容兩極板間的（ ） 第3題 A．距離變化 B．正對(duì)面積變化 C．介質(zhì)變化 D.電壓變化 第4題 4．磁場(chǎng)具有能量，磁場(chǎng)中單位體積所具有的能量叫做能量密度，其值為B2∕2.式中B是磁感應(yīng)強(qiáng)度， 是磁導(dǎo)率，在空氣中為一已知常數(shù)，為了近似測(cè)得條形磁鐵磁極端面附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，一學(xué)生用一根端面面積為A的條形磁鐵吸住一相同面積的鐵片P，再用力將鐵片與磁鐵拉開一段微小距離ΔL，并測(cè)出拉力F，如圖所示，因?yàn)镕所做的功等于間隙中磁場(chǎng)的能量，所以由此可得此感應(yīng)強(qiáng)度B與F、 A之間的關(guān)系為B=_____________. 5．如圖所示，神州五號(hào)飛船發(fā)射升空時(shí)，火箭內(nèi)測(cè)試儀臺(tái)上放一個(gè)壓力傳感器，傳感器上面壓一質(zhì)量為M的物體，火箭點(diǎn)火后從地面加速升空，當(dāng)升到某一高度時(shí)，加速度為a=g∕2，壓力傳感器此時(shí)顯示出物體對(duì)平臺(tái)的壓力為點(diǎn)火前壓力的17/16，已知地球的半徑為R，g為地面附近的重力加速度，試求此時(shí)火箭離地面的高度_______________. 6．如圖是電熨斗溫度自動(dòng)控制裝置。 （1）常溫時(shí)，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是分離,還是接觸? （2）雙金屬片溫度升高時(shí)，那一層形變大? （3）假設(shè)原來(lái)溫度上升到800C時(shí)，斷開電源，現(xiàn)在要求600C時(shí)斷開電源,應(yīng)怎樣調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕? 第6題 7．某學(xué)生為了測(cè)量一物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力。(比例系數(shù)為k)如圖所示，測(cè)量時(shí)先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為0，而后在其受壓面上放一物體,即可測(cè)得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U?，F(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器，質(zhì)量為m0的砝碼，電壓表，滑動(dòng)變阻器，干電池各一個(gè)，電鍵及到縣若干，待測(cè)物體(可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上)。請(qǐng)完成對(duì)該物體質(zhì)量的測(cè)量。 （1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要求力電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)， 第7題 并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在圖中畫處完整的測(cè)量電路圖。 （2）簡(jiǎn)要說明測(cè)量步驟，求出比例系數(shù)K，并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量m。 參考答案： 知能準(zhǔn)備： 一、1．應(yīng)變，電阻，物體形變，力學(xué)傳感器，2．變大，越大，越大 二、1．聲傳感器，聲信號(hào)，電信號(hào)。動(dòng)圈式話筒，電容式話筒，駐極體話筒， 3．體積小，重量輕，價(jià)格便宜，靈敏度高。內(nèi)部駐極體塑料薄膜。 三、1．控制電阻的通斷，彎曲方向不同。2．大，小。 同步檢測(cè)：1. C 2. BD 3. B 4.AC 5 D 6 D 綜合評(píng)價(jià): 1.B 2.BD 3.A 4. 5.R/3 6(1).常溫時(shí),上下觸點(diǎn)接觸,使電路接通,電熱絲工作.(2).雙金屬片的上面一層形變大.(3).應(yīng)向上調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕,雙金屬片受熱時(shí),易使觸點(diǎn)分離. 7．解析(1) 設(shè)計(jì)電路如圖 (2) 測(cè)量步驟與結(jié)果：①調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零，②將砝碼放在轉(zhuǎn)換器上,記下輸出電壓U0,③將待測(cè)物放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U 由U0=km0g,得k=U0/m0g U=k m g,所以 m=m0U/U0 111