高中物理 第6章 第2节 传感器的应用课件 新人教版选修32.ppt

第六章传感器 同步导学方案 课后强化演练 第2节传感器的应用 传感器的应用分析1 传感器工作的一般模式 2 传感器问题的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 3 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的基础上 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 传感器的应用实例1 力传感器的应用 电子秤 1 日常生活中的电子秤使用的测力装置是力传感器 常用的是应变式力传感器 2 应变式力传感器的组成 由金属梁和应变片组成 应变片多用半导体材料制成 是感知力大小的敏感元件 3 工作原理 如图所示 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 下表面应变片的电阻变小 f越大 弯曲形变越大 应变片的阻值变化越大 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 应变片能够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 温度传感器由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器 它们可以把热信号转换为电信号进行自动控制 2 双金属片把两种不同热膨胀系数的金属片贴合在一起 制成一条双金属片 温度变化时 因为两种金属片伸长不一样而发生弯曲 3 电熨斗的结构如图所示 4 工作原理电熨斗是利用内部装有的双金属片温度传感器工作的 电熨斗通过电热丝对电熨斗的金属底板进行加热 两根导线分别接在开关两端 电熨斗内部装有双金属片温度传感器 这种传感器的作用是控制电路的通断 如上图所示 常温下 上 下触点是接触的 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 则双金属片向下弯曲 使触点分离 从而切断电源 停止加热 温度降低后 双金属片恢复其原来状态 重新接通电路加热 这样循环进行 起到自动控制温度的作用 用电熨斗熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度 熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度 通过调温旋钮调节升降螺丝的高度来实现不同温度的设定 如需设定的温度较高 则应使升降螺丝下降 反之 则应升高 3 温度传感器的应用 电饭锅 1 感温铁氧体 组成 氧化锰 氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的 特点 常温下具有铁磁性 能够被磁体吸引 温度达到103 失去磁性 居里点 又称居里温度 该材料的居里点为103 2 电饭锅的构造如图所示 3 电饭锅的工作原理开始煮饭时 用手压下开关按钮 永磁体与感温磁体相吸 触点接通 电饭锅通电加热 水沸腾后 由于锅内保持100 不变 故感温磁体继续与永磁体相吸 直到饭熟后 水分被大米吸收 锅底温度升高 当温度达到居里点103 时 感温磁体失去磁性 在弹簧作用下 永磁体被弹开 触点分离 切断电源 从而停止加热 如果电饭锅用于烧水 在水沸腾后不能自动断电 只有水烧干后 温度升高到103 才能自动断电 4 光传感器的应用 火灾报警器 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 其电阻变小 与传感器连接的电路检测出这种变化 就会发出警报 力传感器的应用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时的加速度 该装置是在矩形箱子的前 后壁上各安装一个压力传感器a和b 用两根相同的轻弹簧夹着一个质量m 2 0kg的滑块 滑块可无摩擦滑动 两弹簧的另一端分别压在传感器a b上 其压力的大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出 当弹簧作用在传感器上的力为压力时 示数为正 当弹簧作用在传感器上的力为拉力时 示数为负 现将装置沿运动方向固定在汽车上 汽车静止时 a b的示数均为10n g取10m s2 1 若传感器a的示数为14 0n b的示数为6 0n 求此时汽车的加速度大小和方向 2 当汽车以什么样的加速度运动时 传感器a的示数为零 答案 1 4m s2 方向向右即a指向b 2 汽车a 10m s2 方向向左即b指向a 方法总结 力学传感器的分析方法 1 分析清楚力传感器的工作原理 明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键 2 涉及电路计算时 注意欧姆定律及分压原理的应用 某学生为了测量一物体的质量 找到一个力电转换器 该转换器的输出电压正比于受压面的压力 比例系数为k 如图所示 测量时先调节输入端的电压 使转换器空载时的输出电压为0 而后在其受压面上放一物体 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 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 解析 1 设计电路如图所示 由于要求转换器空载时的输出电压为0 所以左侧电路采用分压式电路 2 测量步骤与结果 调节滑动变阻器 使转换器的输出电压为零 将砝码放在转换器上 记下输出电压u0 将待测物放在转换器上 记下输出电压u 由u0 km0g 得k u0 m0gu kmg 所以m m0u u0 答案 1 电路如解析图所示 2 m m0u u0 温度传感器的工作原理的分析家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是ptc元件 ptc元件是由钛酸钡等导体材料组成的电阻器 其电阻率 与温度t的关系如图所示 由于这种特性 ptc元件具有发热 控温双重功能 若电热灭蚊器环境温度低于t1 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或t2不变d 当其产生的热量与散发的热量相等时 温度保持在t1 t2间的某一值不变 解析 从图线上可以看出 如果通电前ptc的温度tt2时 温度会降低 故温控点在t1 t2 即温度保持在t1 t2间的某一值 综上分析可知 本题的正确选项是a d 即温度控制点在图象的两个极值点之间 故选ad 答案 ad 方法总结 1 明确所用敏感元件的特征 2 注意串 并联电路的分析与计算 a 10 b 20 c 30 d 45 答案 c 光传感器的应用如图所示 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 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 分析 由滑动触头的移动方向可判断出流过二极管电流的变化情况 即二极管发光强弱的变化情况 进而判断出光敏电阻r的变化情况 最后 根据串联电路的有关知识分析灯泡l消耗功率的变化情况 解析 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 答案 a 方法总结 光传感器是重要的传感器之一 往往用来制作路灯的自动开关 处理这类问题的关键是 抓住光敏元件的特点 即光照强度增大 或减小 引起光敏元件阻值变小 或变大 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 1 下列元件利用了光传感器的是 a 火灾报警器b 电饭锅c 测温仪d 加速度计解析 火灾报警器用的光电三极管 a对 电饭锅和测温仪用的是温度传感器 b c错 加速度计用的力传感器 d错 故选a 答案 a 2 如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图 罩内装有发光二极管led 光电三极管和不透明的挡板 平时光电三极管接收不到led发出的光 呈现高电阻状态 发生火灾时 下列说法正确的是 a 进入罩内的烟雾遮挡了光线 使光电三极管电阻更大 检测电路检测出变化发出警报b 光电三极管温度升高 电阻变小 检测电路检测出变化发出警报c 进入罩内的烟雾对光有散射作用 部分光线照到光电三极管上 电阻变小 发出警报d 以上说法均不正确 解析 由火灾报警器的原理可知 发生火灾时烟雾进入罩内 使光发生散射 部分光线照在光电三极管上 电阻变小 与传感器相连的电路检测出这种变化 发出警报 c对 答案 c 3 用遥控器调换电视机频道的过程 实际上是电视机中的传感器把光信号转化为电信号的过程 下列属于这类传感器的是 a 红外报警装置b 走廊照明灯的声控开关c 自动洗衣机中的压力传感装置d 电饭锅中控制加热和保温的温控器解析 遥控器发出红外线 电视机中的传感器感知红外线是红外线传感器 所以a选项正确 答案 a 4 如图是电熨斗温度自动控制装置 1 常温时 上 下触点应是分离 还是接触