傳感器的應用
2008-12-31 00:00:00李艷軍
物理教學探討 2008年22期
傳感器是把非電學物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉換成易于測量、傳輸、處理的電學量（如電壓、電流、電容等）的一種元件。傳感器是自動控制設備中不可缺少的元件，已廣泛應用到生產生活中各種領域。近幾年，有不少省市的高考題以傳感器作為背景，很好地考查了學生運用所學知識解決實際問題的能力，下面舉一些典型的例子。
1 壓力傳感器
例1 壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學利用壓敏電阻設計了判斷小車運動狀態的裝置，其工作原理如圖1（甲）所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個絕緣重球.小車向右做直線運動過程中，電流表示數如圖1（乙）所示，下列判斷正確的是
A．從t1到t2時間內，小車做勻速直線運動
B．從t1到t2時間內，小車做勻加速直線運動
C．從t2到t3時間內，小車做勻速直線運動
D．從t2到t3時間內，小車做勻加速直線運動
解析 在t1到t2時間內電流逐漸增大，說明壓敏電阻的阻值在逐漸減小，所受壓力不斷變大，故小車的加速度變大，小車做變加速運動，所以A、B均錯誤。在t2到t3時間內，電流不變，可知電阻小于0到t1時間的電阻，壓力保持不變且大于0到t1時間的壓力，由此可知小車在t2到t3時間內做勻加速直線運動，故C選項錯D選項正確。
點評 本題利用一個壓敏電阻將小球所受壓力的變化轉換成電流的變化，關鍵是分析出壓力變化和電流變化之間的關系，再由受力情況判斷物體運動的性質。
2 位移傳感器
例2 演示位移傳感器的工作原理如圖2所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑桿p，通過電壓表顯示的數據，來反映物體位移的大小x。假設電壓表是理想的，則下列說法正確的是
A.物體M運動時，電源內的電流會發生變化
B.物體M運動時，電壓表的示數會發生變化
C.物體M不動時，電路中沒有電流
D.物體M不動時，電壓表沒有示數
解析 該位移傳感器的工作原理是電阻定律和歐姆定律，電壓表所測電壓為滑動變阻器左端電阻上的電壓，當金屬桿向左或向右移動Δx時，左端電阻減小或增大ΔR=ρΔxS，則電壓減小或增大ΔU=IΔR=IρΔxS，而電路中的電流是不會變化的，則物體M運動位移變化時電壓表示數會發生變化，故B選項正確。
點評 本題的物理情景是一個位移傳感器，把物體M的位移的變化轉換成電壓的變化顯示出來。其關鍵是分清電路結構，找出電壓表示數與物體M的位移關系。
3 光電傳感器
例3 一水平放置的圓盤繞豎直固定軸轉動，在圓盤上沿半徑開有一條寬度為2mm的均勻狹縫。將激光器與傳感器上下對準，使二者間連線與轉軸平行，分別置于圓盤的上下兩側，且可以同步地沿圓盤半徑方向勻速移動，激光器連續向下發射激光束。在圓盤轉動過程中，當狹縫經過激光器與傳感器之間時，傳感器接收到一個激光信號，并將其輸入計算機，經處理后畫出相應圖線。圖3甲為該裝置示意圖，圖3乙為所接收的光信號隨時間變化的圖線，橫坐標表示時間，縱坐標表示接收到的激光信號強度，圖中Δt1=1．0×10-3s，Δt2=0.8×10-3s。
(1)利用圖乙中的數據求1s時圓盤轉動的角速度；
(2)說明激光器和傳感器沿半徑移動的方向；
(3)求圖乙中第三個激光信號的寬度Δt
解析 (1)由圖線讀得，轉盤的轉動周期
T＝0.8s①
角速度ω=2πT=7.85rad/s②
(2)激光器和探測器沿半徑由中心向邊緣移動(理由為：由于脈沖寬度在逐漸變窄，表明光信號能通過狹縫的時間逐漸減少，即圓盤上對應探測器所在位置的線速度逐漸增加，因此激光器和探測器沿半徑由中心向邊緣移動)。
(3)設狹縫寬度為d，探測器接收到第i個脈沖時距轉軸的距離為ri，第i個脈沖的寬度為Δti，激光器和探測器沿半徑的運動速度為v。
Δti=d2πriT③
r3－r2＝r2－r1＝vT④
r2－r1＝dT2π(1Δt2-1Δt1)⑤
r3－r2＝dT2π(1Δt3-1Δt2)⑥
由④、⑤、⑥式解得：
Δt3=Δt1Δt22Δt1-Δt2
=1.0×10-3×0.8×10-32×1.0×10-3-0.8×10-3
≈0.67×10-3s
點評 本題解題關鍵是明了圓盤與激光器運動的情境，找出激光信號與圓盤轉動之間的關系，從Δt的變化中看出激
光信號的寬度，從而判斷出激光器移動的方向。
4 溫度傳感器
例4 廣泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家用電器中的溫度傳感器，是利用熱敏電阻隨溫度變化而變化的特性工作的。在圖4甲中，電源的電動勢E = 9.0V，內電阻不可忽略；G為內阻不計的靈敏電流表；R0為保護電阻；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度變化關系如圖4乙的R- t圖象所示。則熱敏電阻R與攝氏溫度t的關系為R=；閉合電鍵S，當R的溫度等于40℃時，電流表示數I1=2.25mA，則當電流表的數I2=3.6mA時，熱敏電阻R的溫度是攝氏度。
解析 由圖4乙可知，熱敏電阻R與溫度的關系為一次函數，其表達式為：
R =-1.875×10-2 t + 4.25
當R的溫度等于40℃時，由圖4乙查得熱敏電阻的阻值為3.5kΩ，根據E＝I1（R0+R1），得R0=0.5kΩ； 當電流表的示數I2＝3.6mA時， 根據E＝I2（R0+R2）， 得R2=2.0kΩ， 由圖4乙查得熱敏電阻的溫度是120攝氏度。
點評 利用熱敏電阻、光敏電阻等可以制成溫度傳感器，本題以熱敏電阻的特性及應用為載體，主要考察考生處理新信息的能力和讀圖的能力。
5 聲電傳感器
例5 如圖為將聲音信號轉化為電信號的傳感器，固定不動的金屬板b與鍍有金屬層的振動膜a構成一個電容器。當聲源簡諧振動，a隨之振動，則在a振動過程中：
A.a、b板所帶的電量不變
B.a、b板間有電磁波產生
C.靈敏電流計中交變電流的頻率與聲波的頻率相同
