[学案+答案]人教版选修3-2 第六章 第二节 传感器的应用
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| 名称 | [学案+答案]人教版选修3-2 第六章 第二节 传感器的应用 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 147.8KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2015-10-30 20:30:56 | ||
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文档简介
§6.2 传感器的应用（一）
●学案●
【学习目标】
1．知道传感器应用的一般模式.
2．理解电子秤的原理----力传感器的应用.
3．理解话筒的原理----声传感器的应用.
4．理解电熨斗的原理----温度传感器的应用.
5．会设计简单的有关传感器应用的控制电路。
【重点难点】
1.重点：理解并掌握电子秤的原理、话筒的原理、电熨斗的原理及其应用
2.难点：各种传感器的应用原理及结构。
【课前预习】
一、传感器应用的一般模式
一般情况下，传感器输出的电信号相当微弱，难以带动执行机构去实现控制动作，因此要
把这个电信号放大。从传感器获得信号后，可 ( http: / / www.21cnjy.com )以用指针式电表或液晶板等显示测量的数据； 也可以用来驱动继电器或其他元件； 还可以由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。
传感器应用的一般模式示意图如下图。
二、力传感器的应用——电子秤
1.力传感器
力传感器主要是利用敏感元件把力学信号（位移 ( http: / / www.21cnjy.com )、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。
2.力传感元件——应变片
（1）材料结构：应变片是一种敏感元件，现在 ( http: / / www.21cnjy.com )多用半导体材料制成。应变片是由迭层薄片组成的：先在一层塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm），然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。如右图。
（2）工作原理：应变片在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。力越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
（3）功能：应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻（或电压）这个电学量。
3. 力传感器的应用——电子秤
（1）构成：常用的一种力传感器是由金属梁和应变片组成的。
（2）工作原理：如图所示， ( http: / / www.21cnjy.com )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，那么上面应变片两端的电压变大，下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。
（3）功能：电子秤可以称量物体的重量，大的做成地磅可以称量汽车、火车的重量。
三、声传感器的应用——话筒
1. 话筒：话筒是一种常用的声传感器，类型虽多，但其作用都是将声信号转换为电信号。话筒分为动圈式话筒、电容式话筒、驻极体话筒等几种。
2.动圈式话筒：动圈式话筒的主要结构是 ( http: / / www.21cnjy.com )由轻薄的弹性膜片后面粘接一个由很细的漆包铜线绕制的小线圈，并将其置于磁场中。如图所示，当声波使弹性金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈也随着一起振动，线圈在永久磁铁的磁场里振动，线圈中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向随线圈的振动变化，变化的振幅和频率由声波决定。动圈式话筒是根据电磁感应的原理把声信号转换成电信号的。一般会场用的大多是动圈式话筒.
3. 电容式话筒: 其工作原理如图 ( http: / / www.21cnjy.com )所示。 Q 是绝缘支架，薄金属膜 M 和固定电极 N 形成一个电容器，被直流电源充电。 当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻 R 两端就输出了与声音变化规律相同的电压。电容式话筒是根据电容器交替充、放电原理将振动的声信号转换成电信号的。电容式话筒的保真度比动圈式话筒好。
4.驻极体话筒: 由内部的驻极体塑 ( http: / / www.21cnjy.com )料薄膜感受声波，工作原理与电容式话筒类似。由于驻极体振动膜上的电荷量不变，所以电容器两端电压随声波的变化而变化，这样就把声音信号转变为电信号。工作电压3-6V，它的特点是体积小、重量轻、价格便宜、灵敏度高，便于微型化。盒式录音机、声控玩具等使用的是驻极体话筒。
三、温度传感器的应用——电熨斗
1. 双金属片：由两块膨胀系数不同的金属迭压 ( http: / / www.21cnjy.com )而成，在温度发生变化后，双金属片产生弯曲。一般应用于自动控温电路中，在电路中起到开关的作用。双金属片是能够把物体温度这个热学量转换为电路的通断。
2. 温度传感器的应用——电熨斗
（1）结构：内部装有双金属 ( http: / / www.21cnjy.com )片温度传感器，其作用是控制电路的通断。利用调温旋钮改变双金属片上静、动触点之间的初始距离和压力，即可获得所需的熨烫温度。如图所示。
（2）工作原理：如图所示 ( http: / / www.21cnjy.com )，常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热；温度降低后，双金属片又恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，从而保持温度不变，起到自动控制温度的作用。调温范围一般为60～250℃。
3. 热电传感器（温度传感器）
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度 ( http: / / www.21cnjy.com )的升高减小（金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大）的原理制成的。它能用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、火警报警器、恒温箱等。
【预习检测】
1. 电子秤中使用的传感器是（ ）
A．超声波传感器 B．温度传感器 C．压力传感器 D．红外线传感器
答案：C
2．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（ ）
A．应变片是由导体材料制成
B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
答案：BD
3. 电容式话筒的保真度比动圈式话筒好 ( http: / / www.21cnjy.com )，其工作原理如图所示， Q是绝缘支架，M是薄金属膜和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，当膜片向右运动的过程中，则有（ ）
A．电容变大
B．电极N上电荷量变小
C．导线AB中有向左的电流
D．导线AB中有向右的电流
答案：AC
解析：由C＝可知，当膜片向右运动 ( http: / / www.21cnjy.com )时，d减小，电容器的电容增大，选项A正确．由于电容器与电源相接，极板间电压U不变，由U＝可知，C增大，电荷量也增大，选项B错误；在电荷量增大的过程中，在电路中形成方向由B到A的电流，选项C正确．
4. 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元 ( http: / / www.21cnjy.com )件是PTC元件， PTC元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能，对此，以下判断正确的是（ ）
A．通电后，其电功率先增大，后减小
B．通电后， 其电功率先减小，后增大
C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变
D．当其产生的热量与散发的热量相等时 ( http: / / www.21cnjy.com )，温度保持在t1和t2之间的某一值不变
答案：AD
解析：从图象看出，通电后，随着温度的升 ( http: / / www.21cnjy.com )高，电阻率先减小后增大，PTC元件的电阻先减小后增大，由功率公式P=U2/R可知，功率是先增大后减小，在图象中反映在t1~t2段；温度t1以后，随着温度的升高，电阻将增大，若发热功率大于散失的热功率，温度将继续升高，直到发热与散热平衡，若发热量小于散热量，电阻将减小，发热功率因此而增大，直到发热与散热平衡，所以温度将保持在t1~t2之间某一温度，即温度控制点在图像的两个极值点之间。
拓展：PCT元件的电阻率与温度 ( http: / / www.21cnjy.com )的关系无法用明确的数学表达式来表示，但可以通过实验测定其电阻率与温度的关系曲线， 正确理解图象的物理意义是解决问题的关键。
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【典题探究】
题型一、力传感器的应用
例1 某同学为了测量一物体的质量，找到 ( http: / / www.21cnjy.com )一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图中的装置所示。测量时先调节输入电压，使转换器空载时的输出电压为零，而后在其受压面上放一个物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U. 现有以下器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、开关及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体质量的测量。
（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在图中画出完整的测量电路图。
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m.
（3）请设想实验中可能会出现的一个问题。
【解析】 （1）由变阻器可组成调压电路，其 ( http: / / www.21cnjy.com )中调节范围大的是由电源与滑动变阻器组成分压式电路；而电压的测量只需一只电压表即可。电路如下图所示。
（2）测量步骤与结果如下：
①调节滑动变阻器（滑向最左端），使力电转换器的输出电压为零；
②将已知质量的砝码m0放在力电转换器上，记下输出电压U0；
③将待测物放在力电转换器上，记下输出电压U.
由U0=km0g得k=；又U=kmg，所以m=
（3）可能会出现的问题：
①待测物体质量超出力电转换器量程；
②电源电压不够而输出电压一开始调不到零。
【拓展】分析清楚力电传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量，找出其中的定量关系，是解决该类问题的关键。
例2 如图所示为某种电子秤 ( http: / / www.21cnjy.com )的原理示意图，AB为一均匀的滑动电阻，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将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。求：
(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1；
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2；
(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点 ( http: / / www.21cnjy.com )，其方法是：调节P2，使P2离A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。
【解析】 托盘的移动带动P1移动，使P ( http: / / www.21cnjy.com )1、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为均匀的滑动电阻，则其阻值与长度成正比.
(1)由力的平衡知识知：m0g＝kx1，解得x1＝
(2)放上重物重新平衡后：m0g＋mg＝kx2
解得x2＝
(3)调零后，设放上质量为m的物体P1向下移动的距离为x，P1、P2间的电压为U。
由闭合电路的欧姆定律知：E＝IR
由部分电路的欧姆定律知：U＝IRx
由电阻定律有：，而x＝x2－x1＝
联立解得：m＝
答案：(1) x1＝ (2) x2＝ (3) m＝
题型二、声传感器的应用
例3. 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电 ( http: / / www.21cnjy.com )磁感应现象，图甲是话筒原理图，图乙是录音机的录音、放音原理图，由图可知下列其中正确的是( )
A．话筒工作时，磁铁不动，由线圈振动而产生感应电流；
B．录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流；
C．录音机录音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场；
D．录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场.
【解析】录音是将声音信号转变成磁信号，放音是 ( http: / / www.21cnjy.com )将磁信号转变成声音信号。话筒的工作原理是声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流，A正确；磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，B正确；录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，D正确。
答案：ABD
例4 如图所示是电容式话筒的示意图 ( http: / / www.21cnjy.com )，它是利用电容器制作的声传感器。话筒的振动膜前表面涂敷有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号。则其中导致电容变化的原因是电容器两板间的（ ）
A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D．电压变化
【解析】 平行板电容器的电容C∝εS/d，本例中的介质没有变化，正对面积也没有变化，引起电容变化的因素是板间距离d，故正确选项是 A。
答案：A
【拓展】 电容传感器可以将非电学量如 ( http: / / www.21cnjy.com )：介质的变化、距离的变化、正对面积的变化转化为电信号，根据这一原理，利用电容传感器也可以测定距离、面积等物理量，如果板间距离的变化是由压力引起的，那么也可以利用电容传感器测定力。
题型三、温度传感器的应用（一）
例5 如图所示是电熨斗温度自动控制装置 ( http: / / www.21cnjy.com )。内部装有双金属片温度传感器，其作用是控制电路的通断。利用调温旋钮改变双金属片上静、动触点之间的初始距离和压力，可获得所需的熨烫温度。有关电熨斗工作原理，下列说法准确的是（ ）
A．常温时，上、下触点应是分离的
B．双金属片温度升高时，上一层金属片的形变大
C．每次调节调温旋钮后，温度只能自动控制在某一特定温度值附近
D．如果要将自动控制温度调高一些，应向上调节调温旋钮
【解析】电熨斗接通电路，电热丝就可 ( http: / / www.21cnjy.com )以开始工作，因此常温时，上下触点是接触的，而不是分离状态，选项A错误；双金属片温度升高时，上一层金属片比下一层金属片的形变大，确保达到自控温度时，双金属片向下弯曲，使下触点与上触点分离而断开电路，选项B正确；每一次调节调温旋钮，就改变一次静、动触点之间的初始距离和压力，使温度自动控制在某一特定温度值附近，选项C正确；如果要将自动控制温度调高一些，应向下调节调温旋钮，双金属片受热时，才不易使触点分离，从而使温度上升高一些，选项D错误。
答案：BC
拓展 双金属片被广泛用在继电器，电饭锅，控制器、报警器等自动控温电路中，在电路中起到开关作用。日光灯 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )的起辉器 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )就是一个很好的例子。另外还可以利用双金属片制成温度计 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )，可以测量较高的温度。
例6.如图所示，表示某种电冰箱内温度 ( http: / / www.21cnjy.com )控制器的结构装置。铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸气，构成了一个温度传感器。膜盒3 为扁圆形（图中显示它的切面），右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4 连接。盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀。测温泡1 安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作。拉簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9 上。连杆9 的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮（图中未画出）控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。问：
（1）为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够自动开始工作，而在达到设定的低温后又自动停止工作？
（2）为什么用凸轮可以改变设定的温度？
【解析】（1）自动控温原理：
当电冰箱内的温度较高时，密封系统中的压 ( http: / / www.21cnjy.com )强增大，1、2、3中的氯甲烷受热膨胀，弹性金属膜盒3的左端膨胀，通过小柱体推动弹簧片4向左转动，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机电路自动开始工作，当冰箱内温度下降到一定程度达到设定的低温时，氯甲烷受冷收缩，拉簧7带动弹簧片将5、6断开，使压缩机停止工作，制冷结束，直到下次温度升高再重复上述过程。
（2）温度设定原理：
凸轮8转动会改变连杆9对弹簧 ( http: / / www.21cnjy.com )7的拉力，该拉力与弹性膜盒3产生的推力共同控制弹簧片4的运动。具体说，当逆时针转动凸轮8时，连杆9对弹簧7的拉力增大，要使触点5、6接触，需要膜盒3产生的推力增大，膜盒3体积膨胀增加变大，那么冰箱内的设定温度增高。故旋转凸轮可以改变设定的温度。
传感器
放大、转换电路
执行机构
显示器
计算机系统
B
A
t/0C
ρ/Ω·m
0
t1
t1
●学案●
【学习目标】
1．知道传感器应用的一般模式.
2．理解电子秤的原理----力传感器的应用.
3．理解话筒的原理----声传感器的应用.
4．理解电熨斗的原理----温度传感器的应用.
5．会设计简单的有关传感器应用的控制电路。
【重点难点】
1.重点：理解并掌握电子秤的原理、话筒的原理、电熨斗的原理及其应用
2.难点：各种传感器的应用原理及结构。
【课前预习】
一、传感器应用的一般模式
一般情况下，传感器输出的电信号相当微弱，难以带动执行机构去实现控制动作，因此要
把这个电信号放大。从传感器获得信号后，可 ( http: / / www.21cnjy.com )以用指针式电表或液晶板等显示测量的数据； 也可以用来驱动继电器或其他元件； 还可以由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。
传感器应用的一般模式示意图如下图。
二、力传感器的应用——电子秤
1.力传感器
力传感器主要是利用敏感元件把力学信号（位移 ( http: / / www.21cnjy.com )、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。
2.力传感元件——应变片
（1）材料结构：应变片是一种敏感元件，现在 ( http: / / www.21cnjy.com )多用半导体材料制成。应变片是由迭层薄片组成的：先在一层塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm），然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。如右图。
（2）工作原理：应变片在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。力越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
（3）功能：应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻（或电压）这个电学量。
3. 力传感器的应用——电子秤
（1）构成：常用的一种力传感器是由金属梁和应变片组成的。
（2）工作原理：如图所示， ( http: / / www.21cnjy.com )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，那么上面应变片两端的电压变大，下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。
（3）功能：电子秤可以称量物体的重量，大的做成地磅可以称量汽车、火车的重量。
三、声传感器的应用——话筒
1. 话筒：话筒是一种常用的声传感器，类型虽多，但其作用都是将声信号转换为电信号。话筒分为动圈式话筒、电容式话筒、驻极体话筒等几种。
2.动圈式话筒：动圈式话筒的主要结构是 ( http: / / www.21cnjy.com )由轻薄的弹性膜片后面粘接一个由很细的漆包铜线绕制的小线圈，并将其置于磁场中。如图所示，当声波使弹性金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈也随着一起振动，线圈在永久磁铁的磁场里振动，线圈中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向随线圈的振动变化，变化的振幅和频率由声波决定。动圈式话筒是根据电磁感应的原理把声信号转换成电信号的。一般会场用的大多是动圈式话筒.
3. 电容式话筒: 其工作原理如图 ( http: / / www.21cnjy.com )所示。 Q 是绝缘支架，薄金属膜 M 和固定电极 N 形成一个电容器，被直流电源充电。 当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻 R 两端就输出了与声音变化规律相同的电压。电容式话筒是根据电容器交替充、放电原理将振动的声信号转换成电信号的。电容式话筒的保真度比动圈式话筒好。
4.驻极体话筒: 由内部的驻极体塑 ( http: / / www.21cnjy.com )料薄膜感受声波，工作原理与电容式话筒类似。由于驻极体振动膜上的电荷量不变，所以电容器两端电压随声波的变化而变化，这样就把声音信号转变为电信号。工作电压3-6V，它的特点是体积小、重量轻、价格便宜、灵敏度高，便于微型化。盒式录音机、声控玩具等使用的是驻极体话筒。
三、温度传感器的应用——电熨斗
1. 双金属片：由两块膨胀系数不同的金属迭压 ( http: / / www.21cnjy.com )而成，在温度发生变化后，双金属片产生弯曲。一般应用于自动控温电路中，在电路中起到开关的作用。双金属片是能够把物体温度这个热学量转换为电路的通断。
2. 温度传感器的应用——电熨斗
（1）结构：内部装有双金属 ( http: / / www.21cnjy.com )片温度传感器，其作用是控制电路的通断。利用调温旋钮改变双金属片上静、动触点之间的初始距离和压力，即可获得所需的熨烫温度。如图所示。
（2）工作原理：如图所示 ( http: / / www.21cnjy.com )，常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热；温度降低后，双金属片又恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，从而保持温度不变，起到自动控制温度的作用。调温范围一般为60～250℃。
3. 热电传感器（温度传感器）
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度 ( http: / / www.21cnjy.com )的升高减小（金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大）的原理制成的。它能用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、火警报警器、恒温箱等。
【预习检测】
1. 电子秤中使用的传感器是（ ）
A．超声波传感器 B．温度传感器 C．压力传感器 D．红外线传感器
答案：C
2．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（ ）
A．应变片是由导体材料制成
B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
答案：BD
3. 电容式话筒的保真度比动圈式话筒好 ( http: / / www.21cnjy.com )，其工作原理如图所示， Q是绝缘支架，M是薄金属膜和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，当膜片向右运动的过程中，则有（ ）
A．电容变大
B．电极N上电荷量变小
C．导线AB中有向左的电流
D．导线AB中有向右的电流
答案：AC
解析：由C＝可知，当膜片向右运动 ( http: / / www.21cnjy.com )时，d减小，电容器的电容增大，选项A正确．由于电容器与电源相接，极板间电压U不变，由U＝可知，C增大，电荷量也增大，选项B错误；在电荷量增大的过程中，在电路中形成方向由B到A的电流，选项C正确．
4. 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元 ( http: / / www.21cnjy.com )件是PTC元件， PTC元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能，对此，以下判断正确的是（ ）
A．通电后，其电功率先增大，后减小
B．通电后， 其电功率先减小，后增大
C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变
D．当其产生的热量与散发的热量相等时 ( http: / / www.21cnjy.com )，温度保持在t1和t2之间的某一值不变
答案：AD
解析：从图象看出，通电后，随着温度的升 ( http: / / www.21cnjy.com )高，电阻率先减小后增大，PTC元件的电阻先减小后增大，由功率公式P=U2/R可知，功率是先增大后减小，在图象中反映在t1~t2段；温度t1以后，随着温度的升高，电阻将增大，若发热功率大于散失的热功率，温度将继续升高，直到发热与散热平衡，若发热量小于散热量，电阻将减小，发热功率因此而增大，直到发热与散热平衡，所以温度将保持在t1~t2之间某一温度，即温度控制点在图像的两个极值点之间。
拓展：PCT元件的电阻率与温度 ( http: / / www.21cnjy.com )的关系无法用明确的数学表达式来表示，但可以通过实验测定其电阻率与温度的关系曲线， 正确理解图象的物理意义是解决问题的关键。
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【典题探究】
题型一、力传感器的应用
例1 某同学为了测量一物体的质量，找到 ( http: / / www.21cnjy.com )一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图中的装置所示。测量时先调节输入电压，使转换器空载时的输出电压为零，而后在其受压面上放一个物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U. 现有以下器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、开关及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体质量的测量。
（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在图中画出完整的测量电路图。
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m.
（3）请设想实验中可能会出现的一个问题。
【解析】 （1）由变阻器可组成调压电路，其 ( http: / / www.21cnjy.com )中调节范围大的是由电源与滑动变阻器组成分压式电路；而电压的测量只需一只电压表即可。电路如下图所示。
（2）测量步骤与结果如下：
①调节滑动变阻器（滑向最左端），使力电转换器的输出电压为零；
②将已知质量的砝码m0放在力电转换器上，记下输出电压U0；
③将待测物放在力电转换器上，记下输出电压U.
由U0=km0g得k=；又U=kmg，所以m=
（3）可能会出现的问题：
①待测物体质量超出力电转换器量程；
②电源电压不够而输出电压一开始调不到零。
【拓展】分析清楚力电传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量，找出其中的定量关系，是解决该类问题的关键。
例2 如图所示为某种电子秤 ( http: / / www.21cnjy.com )的原理示意图，AB为一均匀的滑动电阻，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将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。求：
(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1；
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2；
(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点 ( http: / / www.21cnjy.com )，其方法是：调节P2，使P2离A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。
【解析】 托盘的移动带动P1移动，使P ( http: / / www.21cnjy.com )1、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为均匀的滑动电阻，则其阻值与长度成正比.
(1)由力的平衡知识知：m0g＝kx1，解得x1＝
(2)放上重物重新平衡后：m0g＋mg＝kx2
解得x2＝
(3)调零后，设放上质量为m的物体P1向下移动的距离为x，P1、P2间的电压为U。
由闭合电路的欧姆定律知：E＝IR
由部分电路的欧姆定律知：U＝IRx
由电阻定律有：，而x＝x2－x1＝
联立解得：m＝
答案：(1) x1＝ (2) x2＝ (3) m＝
题型二、声传感器的应用
例3. 动圈式话筒和磁带录音机都应用了电 ( http: / / www.21cnjy.com )磁感应现象，图甲是话筒原理图，图乙是录音机的录音、放音原理图，由图可知下列其中正确的是( )
A．话筒工作时，磁铁不动，由线圈振动而产生感应电流；
B．录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流；
C．录音机录音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场；
D．录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场.
【解析】录音是将声音信号转变成磁信号，放音是 ( http: / / www.21cnjy.com )将磁信号转变成声音信号。话筒的工作原理是声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流，A正确；磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，B正确；录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场，D正确。
答案：ABD
例4 如图所示是电容式话筒的示意图 ( http: / / www.21cnjy.com )，它是利用电容器制作的声传感器。话筒的振动膜前表面涂敷有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号。则其中导致电容变化的原因是电容器两板间的（ ）
A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D．电压变化
【解析】 平行板电容器的电容C∝εS/d，本例中的介质没有变化，正对面积也没有变化，引起电容变化的因素是板间距离d，故正确选项是 A。
答案：A
【拓展】 电容传感器可以将非电学量如 ( http: / / www.21cnjy.com )：介质的变化、距离的变化、正对面积的变化转化为电信号，根据这一原理，利用电容传感器也可以测定距离、面积等物理量，如果板间距离的变化是由压力引起的，那么也可以利用电容传感器测定力。
题型三、温度传感器的应用（一）
例5 如图所示是电熨斗温度自动控制装置 ( http: / / www.21cnjy.com )。内部装有双金属片温度传感器，其作用是控制电路的通断。利用调温旋钮改变双金属片上静、动触点之间的初始距离和压力，可获得所需的熨烫温度。有关电熨斗工作原理，下列说法准确的是（ ）
A．常温时，上、下触点应是分离的
B．双金属片温度升高时，上一层金属片的形变大
C．每次调节调温旋钮后，温度只能自动控制在某一特定温度值附近
D．如果要将自动控制温度调高一些，应向上调节调温旋钮
【解析】电熨斗接通电路，电热丝就可 ( http: / / www.21cnjy.com )以开始工作，因此常温时，上下触点是接触的，而不是分离状态，选项A错误；双金属片温度升高时，上一层金属片比下一层金属片的形变大，确保达到自控温度时，双金属片向下弯曲，使下触点与上触点分离而断开电路，选项B正确；每一次调节调温旋钮，就改变一次静、动触点之间的初始距离和压力，使温度自动控制在某一特定温度值附近，选项C正确；如果要将自动控制温度调高一些，应向下调节调温旋钮，双金属片受热时，才不易使触点分离，从而使温度上升高一些，选项D错误。
答案：BC
拓展 双金属片被广泛用在继电器，电饭锅，控制器、报警器等自动控温电路中，在电路中起到开关作用。日光灯 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )的起辉器 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )就是一个很好的例子。另外还可以利用双金属片制成温度计 ( http: / / www.21cnjy.com" \o "欢迎登陆21世纪教育网" \t "_blank )，可以测量较高的温度。
例6.如图所示，表示某种电冰箱内温度 ( http: / / www.21cnjy.com )控制器的结构装置。铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸气，构成了一个温度传感器。膜盒3 为扁圆形（图中显示它的切面），右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4 连接。盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀。测温泡1 安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作。拉簧7的两端分别连接到弹簧片4和连杆9 上。连杆9 的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮（图中未画出）控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。问：
（1）为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够自动开始工作，而在达到设定的低温后又自动停止工作？
（2）为什么用凸轮可以改变设定的温度？
【解析】（1）自动控温原理：
当电冰箱内的温度较高时，密封系统中的压 ( http: / / www.21cnjy.com )强增大，1、2、3中的氯甲烷受热膨胀，弹性金属膜盒3的左端膨胀，通过小柱体推动弹簧片4向左转动，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机电路自动开始工作，当冰箱内温度下降到一定程度达到设定的低温时，氯甲烷受冷收缩，拉簧7带动弹簧片将5、6断开，使压缩机停止工作，制冷结束，直到下次温度升高再重复上述过程。
（2）温度设定原理：
凸轮8转动会改变连杆9对弹簧 ( http: / / www.21cnjy.com )7的拉力，该拉力与弹性膜盒3产生的推力共同控制弹簧片4的运动。具体说，当逆时针转动凸轮8时，连杆9对弹簧7的拉力增大，要使触点5、6接触，需要膜盒3产生的推力增大，膜盒3体积膨胀增加变大，那么冰箱内的设定温度增高。故旋转凸轮可以改变设定的温度。
传感器
放大、转换电路
执行机构
显示器
计算机系统
B
A
t/0C
ρ/Ω·m
0
t1
t1