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第六章 传感器
第二节 传感器的应用
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1．了解传感器在日常生产、生活中的应用．
2．理解传感器在电子秤、电熨斗等用品上的应用原理．(重点＋难点)
3．在理解传感器应用原理的基础上，制作简单的生产、生活用品．(难点)
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幻灯片 4一、力传感器的应用——电子秤
1．组成及敏感元件
由金属梁和 组成，敏感元件是 ．
应变片
应变片
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2．工作原理
3．作用
应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．
电阻
电压
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幻灯片 6二、温度传感器的应用
膨胀系数
103 ℃
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幻灯片 7三、光传感器的应用——火灾报警器
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1．组成：发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．
2．工作原理：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，其电阻减小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报.
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幻灯片 10一、传感器应用的一般模式
1．传感器的工作模式
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2．分析传感器问题要注意四点
(1)感受量分析
要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．
(2)输出信号分析
明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．
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(3)电路结构分析
认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．
(4)执行机构工作分析
传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程．
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二、如何分析传感器的工作原理
1．感受量分析
要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．
2．输出信号分析
明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．
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3．电路结构分析
认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．
4．注意结合平时生产、生活中的一些实例，多思考，多动手，多查资料．
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三、在生产、生活中有哪些常见传感器的应用
1．生活中的传感器
(1)与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器．
(2)红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等．
(3)照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等．
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2．农业生产中的传感器
(1)湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水．
(2)温度传感器和湿度传感器，可对上百个点进行温度和湿度监测．由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象．
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幻灯片 173．工业生产中的传感器
(1)生产的自动化和半自动化．用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作．各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等．
(2)在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工．
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幻灯片 19 用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别接在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b的示数均为10 N(g取10 m/s2)．
力传感器的应用
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(1)若传感器a的示数为14 N，b的示数为6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向．
(2)当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？
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思路点拨：本题是力传感器在实际中的一个应用．传感器上所显示出力的大小即弹簧对传感器的压力，据牛顿第三定律知，此即为弹簧上的弹力大小，亦即该弹簧对滑块的弹力大小．
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幻灯片 23答案：(1)4.0 m/s2 方向向前 (2)10 m/s2 方向向后
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【题后总结】力传感器是一种测量力的大小的工具．此类题常与牛顿第二定律、运动学的内容综合．当只知道加速度的大小和方向，不知道物体的运动方向时，物体的运动情况有两种可能，某一方向的匀加速或相反方向的匀减速，不要漏掉其中一种．
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幻灯片 25【针对训练】 1.如图甲所示为一根竖直悬挂的不可伸长的细绳，绳长为l，下端拴一质量为m的小物块A，上端固定在C点且与一能测量绳拉力的传感器相连，已知有一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入A内(未穿透)，接着两者一起绕C点在竖直平面内做圆周运动，在各种阻力都忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间t的变化关系如图乙所示，已知子弹射入的时间极短，且图中t＝0为A、B开始以相同速度运动的时刻，根据力学规律和题(包括图)中提供的信息，求物块在最高点和最低点的速度．
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幻灯片 28 如图是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当温度达到居里点(103 ℃)时，此开关会自动断开．S2是一个自动温控开关，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．电阻R1＝R2＝500 Ω，加热电阻丝R3＝50 Ω，两灯电阻不计．
温度传感器的应用
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(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S1，能将饭煮熟吗？
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思路点拨：由电路串、并联关系的分压、分流原理可知，S1和S2闭合时，加热电阻丝R3两端电压为电源电压，热功率大；S1和S2都断开时，加热电阻丝R3两端电压不到电源电压的十分之一，热功率很小．
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解析：(1)电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态．加热到80 ℃时，S2自动断开，S1仍闭合；温度升高到103 ℃时，开关S1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，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80 ℃时，S2又自动断开，不再加热，可见，S2自动开关起自动保温的作用．
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(3)如果不闭合开关S1，S2开始是闭合的，R1被短路，功率为P1，温度上升到80 ℃时，S2自动断开，功率降为P2，温度降低到70 ℃，S2自动闭合，重复上述过程．温度只能在70 ℃～80 ℃之间变化，不能煮熟饭．
答案：(1)见解析 (2)12∶1 (3)见解析
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【题后总结】分析电饭煲的工作原理，关键的地方一是温控开关S1，超过居里点会自动断开，二是S2自动温控开关低于70 ℃时会自动闭合，高于80 ℃时会自动断开．掌握了两个开关的特点，也就会分析电饭煲的工作原理了．
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幻灯片 35【针对训练】 2.如图为一种温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，以下说法正确的是( )
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幻灯片 36A．温度升高至74 ℃时，L1灯亮报警
B．温度升高至74 ℃时，L2灯亮报警
C．温度升高至78 ℃时，L1灯亮报警
D．温度升高至78 ℃时，L2灯亮报警
解析：当温度低于78 ℃时，继电器线圈中没有电流，此时灯L1亮，但不报警；当温度升高到78 ℃时，继电器线圈有电流，磁铁吸下衔铁，灯L2被接通，所以灯L2亮且报警，温度升高至74 ℃时，只是灯L1亮，不会报警，故A、B、C选项错，D选项正确．
答案：D
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幻灯片 37光传感器的应用
如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在小车上，C为小车的车轮．D为与C同轴相连的齿轮，车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示．若实验显示单位时间的脉冲数为n，累积脉冲数为N.试完成下列问题的解答：
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(1)要测出小车的速度和行程，还必须测量的物理数据有哪些？
(2)推导小车速度的表达式．
(3)推导小车行程的表达式．
思路点拨：本题的实验情景和方法是教材上没有的，必须依据题中的信息，理解设计意图，从而完成实验．
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幻灯片 41【针对训练】 3.利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图(甲)所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光．每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图(乙)所示，若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.1 m，则传送带运动的速度是______m/s；该传送带每小时输送______个工件．
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幻灯片 43答案：0.2 7 200
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幻灯片 45误区：不会分析传感器的工作原理
【典型例题】 把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器、开关、电源按如图甲所示电路连接，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的每个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．
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幻灯片 46当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下恢复到分离状态．试说明光电报警器的工作原理．
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解析：当报警器有光照射时，光敏电阻阻值减小，电路中电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态，蜂鸣器电路接通，蜂鸣器发声．反之，当没有光照射或光很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态，连接蜂鸣器的电路断开，蜂鸣器不发声．
答案：见解析
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【误区警示】解答该问题的关键在于弄清电路的连接情况，图中为两个独立电路，两个簧片与蜂鸣器组成一个电路，光敏电阻和干簧管外的线圈组成一个电路．且解答本题时应注意以下两点：(1)光敏电阻受光照后，阻值会变小；(2)干簧管中两个簧片的通断情况取决于干簧管外线圈中的电流的大小.
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