第9.3节 传感器的应用（解析版）

第九章·传感器第3节传感器的应用◎目标导航学问要点难易度1．传感器在轨道交通中的应用：无人驾驶2．传感器在汽车上的应用：无人驾驶，导航3．传感器在手机上的应用：重力传感器，陀螺仪4．传感器综合应用★★★★★★★◎学问精讲1．传感器在轨道交通中的应用全自动“无人驾驶”地铁列车，可通过感知系统实现自主识别障碍物、道路、交通信号，担当着状态监视、故障报警、车载设备把握等功能，感知系统是关键。2．传感器在汽车上的应用无人驾驶汽车上方向盘、油门、刹车踏板等配件都不再需要，全由软件和传感器取代。可自动识别交通指示牌和行车信息，在行驶过程中，汽车会通过传感设备上传路况信息，在大量数据基础上进行实时定位分析，从而推断行驶方向和速度。3．传感器在手机上的应用加速度传感器(重力感应器)：可以监测手机的加速度的大小和方向，用于实现手机横竖屏智能切换。光敏传感器：用于调整屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度。距离传感器：用于检测手机通话时是否正贴在用户的耳朵上，以便自动熄灭屏幕达到省电的目的。陀螺仪：又称角速度传感器，检测手机的旋转和倾斜，在玩耍、导航、拍照中都有应用。4．电容式话筒原理：如图所示，是绝缘支架，薄金属膜和固定电极形成一个电容器，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，于是电阻两端就输出了与声音变化规律相同的电压。5．动圈式话筒的工作原理如图所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波打算，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。◎例题讲解例1.如图(a)所示是某生产流水线上的产品输送及计数装置示意图。S为激光源，R1为光敏电阻(有光照时阻值减小)，R2为定值电阻，a、b之间接示波器。水平传送带匀速前进，产品通过时会拦住激光源发出的光线。示波器显示的电压随时间变化图像如图(b)所示。若计数器电路中的电源电压恒为6V，电源内阻忽视不计，定值电阻R2=1kΩ，求(1)无光照时间敏电阻R1的阻值。(2)有光照时间敏电阻R1的阻值(3)每小时通过的产品个数【答案】(1)2kΩ(2)0.5kΩ(3)6000【解析】(1)无光时R1电阻大，ab点电压大，所以Uab=4V，R1和R2串联，串联电路电压与电阻成正比，所以R1=2kΩ。(2)有光时R1电阻小，ab点电压小，所以Uab=2V，所以R1=0.5kΩ(3)由图像知，每隔0.6s有各产品通过，n=3600/0.6=600个◎巩固练习1.唱卡拉OK用的话筒内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面黏接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法中正确的是（）A．该传感器是依据电流的磁效应工作的B．该传感器是依据电磁感应原理工作的C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变D．膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势【答案】B【解析】膜片振动时，带动金属线圈运动，线圈中磁通量发生变化，产生感应电流。故正确答案为B。2.动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图甲所示是动圈式话筒原理图，图乙所示是磁带录音机的录音、放音原理图，由图可知：①话筒工作时磁铁不动，线圈振动而产生感应电流②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流③录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场④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其中正确的是（）A．②③④B．①②③C．①②④D．①③④【答案】C【解析】本题考查了动圈式话筒和磁带录音机录放音的工作原理。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，①正确。磁带在放音时通过变化的磁场使放音头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器，②正确、③错误。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，④正确。3.（单选）如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭时会遮挡   红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,可知灯的亮灭状况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光状况及R2两端电压U2与门关闭时相比()A.红灯亮,U2变大 B.绿灯亮,U2变大C.绿灯亮,U2变小 D.红灯亮,U2变小【答案】D【解析】当门打开时,R3受红外线照射,电阻减小,则总电阻减小,总电流I增大,R2两端电压U2=E-I(R1+r)减小,R2中电流I2=减小,所以R3中电流I3=I-I2增大,电磁继电器产生的磁场增加,把衔铁吸下,红灯亮,选项D正确。4．(多选)如图为握力器原理示意图，握力器把手上的连杆与弹簧一起上下移动，握力的大小可通过肯定的换算关系由电流表的示数获得．当人紧握握力器时假如握力越大，下列推断正确的有()A．电路中电阻越大B．电路中电阻越小C．电路中电流越小D．电路中电流越大【答案】BD【解析】由题图可知，握力越大，变阻器接入电路的电阻越小，外电路的总电阻越小，依据闭合电路欧姆定律可知，电路中电流越大．故B、D正确，A、C错误．5.在奥运会上，运动员参与蹦床项目的竞赛。假设表演时运动员仅在竖直方向上运动，通过传感器将弹簧床面与运动员间的弹力随时间变化的规律在计算机上绘出如下图所示的曲线，当地的重力加速度g取10m/s2，依据图象给出的信息，回答下列物理量能否求出，如能求出，写出必要的运算过程和最终结果。（1）运动员的重力；（2）运动员的最大加速度；（3）运动员跳起的最大高度。【答案】（1）500N（2）40m／s2（3）5m【解析】由图中可知重力的大小、弹力的最大值以及运动员从离开蹦床到回蹦床经受的时间。（1）由图可知G=500N。（2）由图可知，运动员受到的最大弹力Fm=2500N，故am（3）由图可知，运动员从离开蹦床到回蹦床经受的时间为t总=8.7s－6.7s=11.5s－9.5s=2s，运动员上升阶段与下落阶段经受的时间均为t=t总26.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，传感器在前，传感器在后。汽车静止时，传感器的示数均为。（取）（1）若传感器的示数为，的示数为，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，传感器的示数为零？【答案】（1），方向向前（2），方向向后【解析】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。（1）如图所示，依题意，左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14N滑块所受合力产生加速度，依据牛顿其次定律有，得。与同方向，即向前（向右）。（2）传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为，滑块所受合力产生加速度，由牛顿其次定律得。解得：。负号表示方向向后（向左）。7．某同学为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k），如图所示，测量时先调整输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0，而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材：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m的测量。（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调整范围尽可能大，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）请设想试验中可能会消灭的一个问题。【答案】见解析【解析】（1）设计的电路图如图所示，输入电压接受分压接法