高中物理 第六章 传感器 2 传感器的应用课件 新人教版选修32.ppt

自主学习 基础知识 2传感器的应用 学习目标 1 了解传感器在日常生活和生产中的应用 2 了解传感器应用的一般模式 3 会设计简单的有关传感器应用的控制电路 提高分析问题 解决问题的能力 合作探究 重难疑点 解题技巧 素养培优 应用传感器的实际工作过程中为什么需要放大电路 提示 因为传感器将非电学量转换为电学量的信号往往很弱 所以一般要通过放大电路放大 1 力传感器的应用 电子秤 1 组成及敏感元件 由金属梁和 组成 敏感元件是 2 工作原理 应变片 应变片 3 作用 应变片将 这个力学量转换为 这个电学量 物体形变 电压 2 温度传感器的应用实例 103 c 103 c 3 光传感器的应用 火灾报警器报警器带孔的罩子内装有 和不透明的挡板 发光二极管led 发光三极管 在机场 车站 码头等人员集散地都设有体温检测点 为什么测体温时一般不用水银温度计 而用红外线测温仪 提示 用水银温度计 测温时间长 同时又容易引起交叉感染 用红外线测温仪测温速度快 也不需要与人体直接接触 又避免了交叉感染 因此用红外线测温仪较好 1 应变式力传感器可以用来测量重力 也可用来测牵引力 2 常温下 电熨斗上 下触点应当是分离的 温度过高时 触点接触 3 电饭锅内温度达到100 时 触点分离 切断电源 停止加热 预习完成后 请把你认为难以解决的问题记录在下面的表格中 学生分组探究一传感器问题的分析第1步探究 分层设问 破解疑难1 如图6 2 1所示 是测定液面高低的传感器示意图 a为固定的导体芯 b为导体芯外面的一层绝缘物体 c为导电液体 把传感器接到图示电路中 已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向相同 如果发现指针正向左偏转 则导电液体的深度h是如何变化的 并说明电容器的电容的变化 2 如图6 2 2所示为光敏电阻自动计数器的示意图 其中r1为光敏电阻 r2为定值电阻 此光电计数器的基本工作原理是什么 图6 2 2 提示 当光被物体挡住时 r1的电阻增大 电路中的电流减小 r2两端的电压减小 信号处理系统得到低电压 每通过一个物体就获得一次低电压 计数一次 第2步结论 自我总结 素能培养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 敏感元件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 第3步例证 典例印证 思维深化如图6 2 3所示为普通冰箱内温度控制器的结构 铜质的测温泡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汽 上述材料就构成了一个温度传感器 膜盒3为扁圆形 图中显示为它的切面 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 弹簧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 图6 2 3 1 为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够开始工作 而当达到设定的低温后又自动停止工作 2 为什么凸轮可以改变设定的温度 解析 1 冰箱内温度较高时 密封系统中的压强增大 盒体膨胀 膜盒3通过小柱体带动弹簧片4使动触点5与静触点6接触 控制压缩机自动开始工作 而当达到设定的低温时弹簧7带动弹簧片4将触点5 6断开 使压缩机停止工作 2 凸轮逆时针旋转会加大连杆9对弹簧7的拉力 该拉力与膜盒3共同控制弹簧片4的运动 故凸轮可以改变设定的温度 答案 见解析 第4步巧练 精选习题 落实强化1 在探究超重和失重规律时 某体重为g的同学站在一压力传感器上完成一次下蹲动作 传感器和计算机相连 经计算机处理后得到压力f随时间t变化的图象 则如图所示的图象中可能正确的是 解析 该同学站在压力传感器上完成一次下蹲动作过程中 先向下加速 后向下减速 其加速度方向先向下后向上 即先失重后超重 d正确 答案 d 2 如图6 2 4所示 两块水平放置的金属板距离为d 用导线 开关s与一个n匝的线圈连接 线圈置于方向竖直向上的变化磁场b中 两板间放一台小压力传感器 压力传感器上表面静止放置一个质量为m 电量为 q的小球 s断开时传感器上有示数 s闭合时传感器上恰好无示数 则线圈中的磁场b的变化情况和磁通量变化率分别是 图6 2 4 学生分组探究二常见传感器的应用实例第1步探究 分层设问 破解疑难1 如图6 2 5所示为一冷库中的自动控温设备 容器中是导电液体 其液面与两个电极刚刚接触 试探究分析其自动控温原理 图6 2 5 提示 冷库中温度较低时 导电液体体积较小 此时两电极未与导电液体接触 制冷机不工作 当冷库中温度升高 致使导电液体受热膨胀 体积增大 液面升高 当液面与两电极接触时 电路接通 制冷机开始工作 冷库温度降低 导电液体温度降低 液面下降 当液面与电极分离时 电路断开 制冷机停止工作 2 如图6 2 6所示是测定位移x的电容式传感器 其工作原理是哪个量的变化 造成其电容的变化 图6 2 6 提示 由原理图可知 要测定的位移x发生变化 则电介质进入极板的长度发生变化 从而引起电容的变化 而两极板间距 正对面积及电介质种类均未变化 第2步结论 自我总结 素能培养1 生活中的传感器 1 与温度控制相关的家用电器 如电饭煲 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 农业生产中的传感器 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 工业生产中的传感器 1 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 2 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 4 飞向太空的传感器在航空 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 第3步例证 典例印证 思维深化一般的电熨斗用合金丝作发热元件 合金丝电阻随温度t变化的关系如图6 2 7中实线 所示 由于环境温度以及熨烫的衣物厚度 干湿等情况不同 熨斗的散热功率不同 因而熨斗的温度可能会在较大的范围内波动 易损坏衣物 有一种用主要成分为batio3被称为 ptc 的特殊材料作发热元件的电熨斗 具有升温快 能自动控制温度的特点 ptc材料的电阻随温度变化的关系如图中实线 所示 根据图线解答 1 为什么原处于冷态的ptc熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快 2 通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在 t 范围之内 解析 由图知 ptc元件在t0 t6温度内 电阻随温度升高而减小 在电源电压一定时电功率增大 故升温快 当温度超过t6时 电阻随温度升高迅速增大 电功率减小 当发热功率小于散热功率时 温度不升反降 直到发热功率等于散热功率时 温度可保持在一定的范围内不变 即可控制在t6 t7范围之内 答案 1 冷态时ptc电阻很小 电功率很大 所以升温很快 2 t6t7 第4步巧练 精选习题 落实强化1 如图6 2 8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 门关闭时会遮蔽红外线源 红外线源没有画出 经实际试验 灯的亮 灭情况的确能反映门的开 关状态 门打开时两灯的发光情况及r2两端电压ur2与门关闭时相比 图6 2 8 a 红灯亮 ur2变大b 绿灯亮 ur2变大c 绿灯亮 ur2变小d 红灯亮 ur2变小 2 多选 家用电烙铁在长时间使用过程中 当暂不使用时 如果断开电源电烙铁会很快变凉 而再次使用时 温度不能及时达到要求 如果长时间闭合电源 又浪费电能 为改变这种不足 现将电烙铁改成如图6 2 9所示电路 其中r0是适当的定值电阻 r是电烙铁 则 a 若暂不使用 应断开sb 若暂不使用 应闭合sc 若再次使用 应闭合sd 若再次使用 应断开s 解析 电压恒定不变 保温时应该增加电阻 从而减小功率 故应断开s 同理再次使用时 减小电阻 应闭合s 增大功率 答案 ac 自动控制电路的分析及设计技巧利用传感器将非电学量转化为电学量实现电路的自动控制 我们怎样分析和设计自动控制电路呢 已知光敏电阻随入射光的增强 其电阻值减小 请利用如图6 2 10所示器材设计一个路灯自动控制电路 图6 2 10 解析 控制过程 当有光照射时 a电阻减小 电流增大 光电流经过放大器输出一个较大的电流 驱动电磁继电器吸合 使两个触点断开 路灯不工作 当无光照时 同理光电流减小 放大器输出电流减小 电磁继电器释放衔铁 使两个触点闭合 路灯电路接通 路灯开始工作 电路如图所示 先看名师指津 在分析和设计自动控制电路时 要透彻理解各个元件的特性 如光敏电阻 热敏电阻 电磁继电器等 在涉及门电路的电路图时 电流的通路并不能完整地呈现出来 所以不能用原来的电路知识来理解 而是要正确理清电路中的逻辑关系 再演练应用 现有热敏电阻 电炉丝 电源 电磁继电器 滑