第6章第二节传感器的应用 课标定位学习目标 1 知道传感器应用的一般模式 2 理解电子秤 电熨斗 火灾报警器的工作原理 3 了解电饭锅的结构和工作原理 重点难点 传感器在实际中的应用 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第二节传感器的应用 课前自主学案 课前自主学案 一 传感器应用的一般模式 二 传感器的应用1 力传感器的应用 电子秤 1 组成 由金属梁和 组成 2 工作原理 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 应变片的阻值变化就越大 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 外力越大 输出的电压差值也就越大 应变片 3 作用 把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量 2 温度传感器的应用 电熨斗 1 敏感元件 温度传感器 2 工作原理 温度变化时 由于双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同 双金属片发生形变从而控制电路的通断 双金属片 3 温度传感器的应用 电饭锅 如图6 2 1 1 敏感元件 2 居里温度 感温铁氧体常温下具有 性 温度上升到约 时 失去铁磁性 这一温度又称为 居里点 图6 2 1 感温铁氧体 铁磁 103 3 电饭锅工作原理 用手按下开关通电加热 开始煮饭 当锅内加热温度达到103 时 铁氧体失去铁磁性 与永久磁体失去吸引力 被弹簧片弹开 从而推动杠杆使触点开关断开 4 光传感器的应用 火灾报警器 如图6 2 2 1 组成 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 图6 2 2 核心要点突破 一 传感器问题分析1 分析思路物理传感器是将所感受的物理量 如力 热 光等 转换为便于测量的电学量的器件 我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤 1 信息采集 2 信息加工 放大 传输 3 利用所获得的信息执行某种操作 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 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 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 2011年潮州高二检测 压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小 一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置 如图6 2 3甲所示 将压敏电阻平放在升降机内 受压面朝上 在上面放一物体m 升降机静止时电流表示数为I0 某过程中电流表的示数如图乙所示 则在此过程中 图6 2 3 A 物体处于失重状态B 物体处于超重状态C 升降机一定向上做匀加速运动D 升降机可能向下做匀减速运动解析 选BD 电流表的示数变为2I0且保持不变 说明压敏电阻的阻值比升降机静止时小 压敏电阻所受压力变大 物体处于超重状态 即物体具有向上的加速度 B D正确 A C错误 二 常见传感器的应用实例1 生活中的传感器 1 与温度控制相关的家电电器 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 2 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 3 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 4 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 3 航天中的传感器在航空 航天技术领域 传感器应用得较早 也应用得较多 在运载火箭 载人飞船中 都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用 这些传感器对控制航天器的姿态 接收和发送信息 收集太空数据等都有重要作用 在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器 如测量血压 心电图 体温等 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 2011年威海高二检测 嫦娥二号 卫星上装有8种24件探测仪器 其中可能有 A 味觉传感器B 气体传感器C 听觉传感器D 视觉传感器解析 选D 嫦娥二号 月球卫星是为探测月球而发射的在轨卫星 而月球上无气体 所以不需要气体传感器和听觉传感器 当然也用不到味觉传感器 真正需要的是为月球 画像 的视觉传感器 立体相机 如图6 2 4所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图 薄金属片P固定有4个可以形变的电阻R1 R2 R3 R4 如图乙 图甲是它的侧面图 这4个电阻连成的电路如图丙所示 试回答下列问题 课堂互动讲练 图6 2 4 1 开始时金属片中央O点未加任何压力 欲使电压表无示数 则4个电阻应满足怎样的关系 2 当O点加一个压力F后发生形变 这时4个电阻也随之发生形变 形变后各电阻阻值大小如何变化 思路点拨 电压表无示数也就是A B两点等电势 即R1与R2的分压情况和R3与R4的分压情况完全相同 2 当O点加垂直于金属片的压力后 金属片发生形变 由于电阻是固定在金属片上的 因此R1 R4被拉长 R2 R3被拉宽 即R1 R4增大 R2 R3减小 这时A B两点电势不再相等 规律总结 分析传感器类问题 一要注意传感器感受到的是何物理量 二要注意敏感元件输出哪种电信号 变式训练1压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小 有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置 其工作原理如图6 2 5甲所示 将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上 中间放置一个绝缘重球 小车向右做直线运动过程中 电流表示数如图乙所示 下列判断正确的是 图6 2 5 A 从t1到t2时间内 小车做匀速直线运动B 从t1到t2时间内 小车做匀加速直线运动C 从t2到t3时间内 小车做匀速直线运动D 从t2到t3时间内 小车做匀加速直线运动解析 选D 由小球受力可知 a FN 又因为压敏电阻的阻值随压力增大而减小 而电流增大 则I的大小反映了a的大小 所以0 t1内I不变 小车做匀加速运动 t1 t2内小车加速度增大 t2 t3内小车做匀加速运动 如图6 2 6所示 甲为在温度为10 左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图 箱内的电阻R1 20k R2 10k R3 40k Rt为热敏电阻 它的电阻随温度变化的图线如图乙所示 a b端电压Uab 0时 电压鉴别器会令开关S接触 恒温箱内的电热丝发热 使箱内温度升高 当a b端电压Uab 0时 电压鉴别器会令开关S断开 停止加热 则恒温箱内的温度可保持在 图6 2 6A 10 B 20 C 35 D 45 思路点拨 由题可知 Uab 0是电热丝加热和停止加热的临界状态 根据串联分压知识可求得Uab 0时Rt的阻值 然后由乙图读出对应的温度 答案 C 规律总结 本题利用热敏电阻为传感器 将温度变化的信号转化为电信号 结合电子线路来控制加热电器 正确的电路分析 计算及看懂热敏电阻的电阻值随温度变化的曲线 是解决本类习题的关键 变式训练2如图6 2 7所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电器 其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小 电源甲与继电器 热敏电阻等组成控制电路 电源乙与恒温箱加热器 图中未画出 相连接 则 图6 2 7 A 当温度降低到某一数值 衔铁P将会被吸下B 当温度升高到某一数值 衔铁P将会被吸下C 工作时 应该把恒温箱内的加热器接在C D端D 工作时 应该把恒温箱内的加热器接在A B端解析 选BD 当温度升高时 热敏电阻的阻值减小 通过电磁继电器螺线管的电流增大 磁性增强 吸下金属片 触点接通 所以应把恒温箱内的加热器接在A B端 如图6 2 8所示为一实验中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图 A为光源 B为光电接收器 A B均固定在车身上 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内脉冲数为n 累计脉冲数为N 则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是 小车速度的表达式为v 行程的表达式为s 图6 2 8 精讲精析 这是一道以实际问题为背景的实验题 显然无法通过迁移课本实验中的方法来解决 但是题目给出了装置图 该图及题文中的相关说明给我们一定提示 光束原来是连续的 是转动的齿轮使光束变为脉冲 因此脉冲情况必定与齿轮 或车轮 的转动有关 也就与速度和行程有关 规律总结 本题的理论依据是最基本的匀速运动中的速度 时间与位移的关系及角速度与线速度的关系 关键是将测量量与运动速度 时间和行程关联起来 这类题目是物理知识在实际中的应用 要很好的解答就要善于知识的迁移 对学生提出了更高的要求 对此 我们只能要求学生关注周围的事物 经常想一想它们工作的原理与物理知识的关系 扩大眼界 开阔思路 变式训练3如图6 2 9所示 电源两端的电压恒定 L为小灯泡 R为光敏电阻 D为发光二极管 电流越大 发光越强 且R与D距离不变 下列说法中正确的是 图6 2 9 A 当滑动触头向左移动时 L消耗的功率增大B 当滑动触头向左移动时 L消耗的功率减小C 当滑动触头向右移动时 L消耗的功率可能不变D 无论怎样移动滑动触头 L消耗的功率不变解析 选A 电源电压恒定 也就是说 并联电路两端的电压恒定 当滑动触头向左移动时 发光二极管发光变强 光敏电阻的电阻变小 所以电流变大 则L的功率变大