课时实验与探究：传感器的简单使用.ppt

交变电流电磁波传感器 实验与探究 传感器的简单使用 第十一章 一 传感器1 定义及用途 1 定义 能够感受外界信息 并将其按照一定的规律转换成的器件或装置 电信号 2 构造 传感器一般由 和组成 有时还需要加辅助电源 敏感元件是传感器的核心部分 它是利用材料的某种敏感效应 如热敏 光敏 压敏 力敏 湿敏等 制成的 转换元件是传感器中能将敏感元件输出的 与被测物理量成一定关系的转换成的电子元件 敏感元件 转换元件 转换电路 非电信号 电信号 3 原理 工作原理如下图所示 2 光电传感器是一种能够感受光信号 并按照一定规律把转换成的器件或装置 非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量 光信号 电信号 3 光敏电阻器是用金属硫化物等半导体材料制成的 当照射到这些半导体物质上时 它的电阻率 阻值也随之 入射光越强 电阻 不受光照射时 其电阻值是受光照射时的100 1000倍 4 温度传感器是一种将转换为的装置 常见的温度传感器有和等 光 减小 减小 越小 温度变化 电信号变化 热敏电阻 热电偶 5 半导体的电阻会随温度的变化而改变 热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的 负温度系数的热敏电阻 NTC 的电阻值随温度的升高而 正温度系数的热敏电阻 PTC 它的电阻值随温度的升高而 热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器 在测温过程中响应非常快 减小 增大 二 实验 传感器的简单应用实验目的1 知道传感器的作用 2 观察热敏电阻和光敏电阻的阻值是如何随热信号和光信号而变化的 实验原理传感器是将它所感受到的物理量 如力 热 光 声等 转换成便于测量的量 一般是电学量 的一类元件 例如 热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号 光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号 转换后的信号经过相应的仪器进行处理 就可达到自动控制的各种目的 实验器材铁架台 温度计 多用电表 烧杯 开水 可装在热水瓶内 冷水 热敏电阻 光敏电阻 导线 纸带 光电计数器 钩码 实验步骤1 热敏电阻特性实验 如图11 4 1所示 图11 4 1 在烧杯内倒入少量冷水 放在铁架台上 将悬挂在铁架台上的温度计放入水中 将多用电表的选择开关置于 欧姆 挡 将两支表笔短接 调零后再将两支表笔分别与热敏电阻的两个输出端相连 将热敏电阻放入烧杯内的水中 在欧姆挡上选择合适的倍率 再 把两支表笔接到热敏电阻两输出端 观察表盘指示的热敏电阻的阻值 填入表格内 分几次向烧杯内倒入开水 观察不同温度时热敏电阻的阻值 记录在表格内 实验记录 重新调零 通过比较这些测得的数据 看热敏电阻的阻值是怎样随温度变化的 将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或 OFF 挡 拆开装置 将器材按原样整理好 2 光敏电阻特性实验 如图11 4 2所示 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 选择合适的倍率 将两支表笔短接后调零 图11 4 2 把多用电表的两支表笔接到光敏电阻的两个输出端 观察表盘指示的光敏电阻的阻值 记录下来 将手张开放在光敏电阻的上方 挡住照到光敏电阻上的部分光线 观察表盘所示光敏电阻阻值的变化 记录下来 上下移动手掌 观察光敏电阻阻值的变化 将多用电表的选择开关置于交流电压最高挡或 OFF 挡 折开装置 将器材按原样整理好 3 光电计数器的基本应用将钩码放在纸带上 如图11 4 3所示 拖动纸带向前运动 观察光电计数器上的数字变化 图11 4 3 4 简单温度自动控制实验请同学们设计一个由热敏电阻或光敏电阻作为传感器的简单自动控制实验 注意事项1 在做热敏实验时 加开水后要等一会再测其阻值 以使电阻温度与水的温度相同 并同时读出水温 2 可用图象描出电阻随温度的变化图线来分析其规律 3 光敏实验中 如果效果不明显 可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中 并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少 4 光电计数器是比较精密的仪器 使用过程中注意轻拿轻放 电容式传感器的应用传感器是一种采集信息的重要器件 如图11 4 4所示 是一电容式压力传感器 当待测压力F作用于可动膜片电极上时 可使膜片产生形变 引起电容的变化 将电容器 灵敏电流计和电源串接成闭合电路 那么 当F向上压膜片电极时 电容将减小 当F向上压膜片电极时 电容将增大 若电流计有示数 则压力F发生变化 若电流计有示数 则压力F未发生变化A B C D 图11 4 4 当压力发生变化时 膜片电极和固定电极间的距离发生改变 如果F向上压膜片电极 两电极之间的距离减小 电容器的电容将增大 两极板的带电量增大 电流计有示数 则压力F发生了变化 所以选项B正确 变式训练1 随着人民生活水平的不断提高 自动干手机已进入家庭 洗手后 将湿手靠近自动干手机 机内的传感器便会驱动电热器加热 有热空气从机内喷出 将湿手烘干 手靠近干手机能使传感器工作 是因为 A 改变了湿度B 改变了温度C 改变了电容D 改变了磁场 解析 这是一道联系生活实际的试题 要能把生活实际与所学物理知识相结合 进行合理的推理分析 根据自动干手机的工作特征 手靠近 电热器开始工作 手撤离 电热器停止工作 不难判断出传感器的种类 若是用湿度和温度来驱使电热器工作 理论上可行 但作为干手机 这种传感器的设置有很大的缺陷 因为干手机周围的环境一年四季都在变化 与手的靠近无关 如果湿度 温度发生变化干手机马上工作 岂不成了室内烘干机了吗 故A B不对 由于人是导体 介电常数大于空气 手靠近干手机相当于插入了电介质 故可确认干手机内设置有电容式传感器 手靠近时改变了电容 故选C 光敏电阻的特性如图11 4 5所示 R1 R2为定值电阻 L为小灯泡 R3为光敏电阻 当照射光强度增大时 A 电压表的示数减小B R2中电流强度减小C 小灯泡的功率减小D 电路的路端电压增大 图11 4 5 当光强度增大时 R3阻值减小 外电路电阻随R3的减小而减小 R1两端电压因干路电流增大而增大 同时内电压增大 故电路路端电压减小 而电压表的示数增大 A项错误 D项错误 由于路端电压减小 而R1两端电压增大知 R2两端电压必减小 则R2中电流减小 故B项正确 结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大 则小灯泡的功率增大 C项错误 答案B 变式训练2 计算机光驱的主要部分是激光头 它可以发射脉冲激光信号 激光扫描光盘信息时 激光头利用光敏传感器自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统 再通过计算机显示出相应信息 光敏电阻自动计数器的示意图如图11 4 6所示 其中R1为光敏电阻 R2为定值电阻 图11 4 6 此光电计数器的基本工作原理是 当有光照射R1时 处理系统获得高电压 当有光照射R1时 处理系统获得低电压 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次A B C D 解析 当传送带上的每一件物品通过发光仪器而挡住光时 光敏电阻R1的阻值就增大 所以信号处理系统获得高电压且获得一次高电压就计数一次 所以 本题正确答案为选项D 传感器的应用用如图11 4 7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 后壁上各安装一个压力传感器 用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为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 现将装置沿运动方向固定在汽车上 传感器B在前 传感器A在后 汽车静止时传感器A B的示数均为10N 取g 10m s2 1 若传感器A的示数为14N B的示数为6 0N 求此时汽车的加速度大小和方向 2 当汽车以怎样的加速度运动时 传感器A的示数为零 图11 4 7 传感器上所显示出的力的大小 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 即该弹簧对滑块的弹力大小 1 如右图所示 依题意 左侧弹簧对滑块向右的推力F1 14N 右侧弹簧对滑块向左的推力F2 6 0N 滑块所受合力产生加速度a1 根据牛顿第二定律有F1 F2 ma1 得a1 4 0m s2a1与F1同方向 即向前 向右 2 A传感器的读数恰为零 即左侧弹簧的弹力F1 0 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F2 20N滑块所受合力产生加速度 由牛顿第二定律得F合 F2 ma2 得a2 10m s2 负号表示方向向后 向左 变式训练3 用电流传感器可以清楚地演示一些电学元件对电路中电流的影响 如图11 4 8所示 在AB间分别接入电容器 电感线圈 定值电阻 闭合开关时 计算机显示的电流随时间变化的图像分别如图a b c所示 则下列判断中正确的是 图11 4 8 A AB间接入定值电阻显示图像aB AB间接入电容器显示图像bC AB间接入电感线圈显示图像cD AB间接入电感线圈显示图像b 答案 D 基础训练 1 当光照射到光敏电阻上时 光敏电阻的阻值 填 变大 不变 或 变小 半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随 变化而改变的特性制成的 解析 区别光敏 热敏电阻随光照 温度变化的不同 变小 温度 基础训练 2 用遥控器调换电视频道的过程 实际上就是传感器把光信号转化成电信号的过程 下列属于这类传感器的是 A 红外报警装置B 走廊照明灯的声控装置C 自动洗衣机中的压力传感装置D 电饭煲中控制加热和保温的温控器 A 基础训练 3 1999年7月12日 日本原子能公司所属敦贺核电站由于水管破裂导致高辐射冷却剂外流 在检测此重大事故中应用了把非电学量变化 冷却剂外泄使管中液面变化 转换为电信号的自动化测量技术 如图11 4 9所示 是一种测定导电液体深度的装置 在导线芯A的外面涂上一层绝缘物质B 放在导电液体C中 导线芯和导电液构成电容器的两极 把这两极接入外电路中 当电流变化说明电容值增大时 则导电液体的深度h变化为 A 减小B 增大C 不变D 无法确定 11 4 9 基础训练 解析 电容器的电容增大有3方面可能 减小两导电层的间隔 增大两导电层的正对面积 换用介电常数大的电解质 题中所给的情景就是增大正对面积 也就是导电液体的深度增大 故选B 基础训练 4 如图11 4 10所示电路可将声音信号转变为电信号 该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成了一个电容器 a b通过导线与稳压电源正 负极相连 若声源S做左右振动 则 图11 4 10 基础训练 A 振动过程中 a b板间的电场强度不变B 振动过程中 a b板所带的电荷量不变C a向右的位移最大时 a b板构成的电容器的电容最大D a振动过程中 电流计G中始终有方向不变的电流 基础训练 解析 金属板a b通过导线与稳压电源正 负极相连 a b间的电压不变 振动过程中 a b板间的间距变化 电场强度也随时间的变化而变化 故A错 a b板所带的电荷量Q CUab 因C变化 故B错 a向右的位移最大时 a b的间距最小 a b板构成的电容器的电容最大 故C对 因a向右电容增大 a向左电容减小 所以a b板所带的电荷量不断的增大减小 电流计G中有方向不断变化的电流 故D错 基础训练 5 在如图11 4 11的电路中 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 发出的光越强 且R与D间距不变 下列说法正确的是 图11 4 11 基础训练 A 当滑动触头P向左移动时 L消耗的功率增大B 当滑动触头P向左移动时 L消耗的功率减小C 当滑动触头P向右移动时 L消耗的功率可能不变D 无论怎样移动触头P L消耗的功率都不变 基础训练 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 应选A 基础训练 6 将万用表的选择开关置于 欧姆挡 再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 NTC Rt的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中间 若往Rt上擦一些酒精 表针将向 填 左 或 右 移动 若用吹风机将热风吹向电阻 表针将向 填 左 或 右 移动 基础训练 解析 若往Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸发吸热 热敏电阻Rt温度降低 电阻值增大 所以电流减小 指针应该向左偏 用吹风机将热风吹向电阻 电阻Rt温度升高 电阻值减小 电流增大 指针向右偏 欧姆表的表盘刻度最右侧为0w 最左侧为最大值 提升训练 7 传感器可将非电学量转换为电学量 起自动控制作用 如计算机鼠标中有位移传感器 电熨斗 电饭煲中有温度传感器 电视机 录像机 影碟机 空调机中有光传感器 演示位移传感器的工作原理如图11 4 12所示 物体M在导轨上平移时 带动滑动变阻器的金属滑杆P 通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小x 假设电压表是理想的 则下列说法正确的是 图11 4 12 提升训练 A 物体M运动时 电源内的电流会发生变化B 物体M运动时 电压表的示数会发生变化C 物体M不动时 电路中没有电流D 物体M不动时 电压表没有示数 提升训练 解析 在传感器中 如果把力学信号转化为电学信号 一般借助于分压电路 用电阻上的部分电压来呈现力学规律 由于电压表为理想电压表 所以当P滑动时 电路的总电阻不变 电源内电流不会发生变化 电压表测量电压是滑动变阻器左部分电压 随着M点的移动 电压表所测电压也发生变化 物体M不动时 电压表示数不发生变化 故选B 提升训练 8 有定值电阻 热敏电阻 光敏电阻三只元件 将这三只元件分别接入如图11 4 13所示电路中的A B两点后 用黑纸包住元件和把元件置入热水中 观察欧姆表的示数 下列说法中正确的是 图11 4 13 提升训练 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数变化较大 这只元件一定是热敏电阻 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数不变