6.2-传感器的应用(一)教案

1 6 2 传感器的应用 一 教案传感器的应用 一 教案 教学目标教学目标 1 知识与技能 1 了解传感器应用的一般模式 2 理解应变式力传感器的应用 电子秤的工作原理 3 理解声传感器的应用 话筒的工作原理 4 理解温度传感器的应用 电熨斗的工作原理 5 会设计简单的有关传感器应用的控制电路 2 过程与方法 通过实验结合物理学的知识 探究电子秤 话筒 电熨斗等的工作原理 从 而了解力传感器 声传感器和温度传感器的一般应用 进一步总结出传感器应用 的一般模式 3 情感 态度与价值观 激发学生的学习兴趣 培养动手能力 提高创新意识 提高物理理论知识与实际 相结合的综合实践能力 教学重点教学重点 各种传感器的应用原理及结构 教学难点教学难点 各种传感器的应用原理及结构 教学方法教学方法 PPT 课件 演示实验 讲授 教学用具教学用具 小型电子秤 话筒 电熨斗 示波器 教学过程教学过程 一 引入新课一 引入新课 师 上节课我们学习了传感器及其工作原理 传感器是能够感知诸如力 温度 光 声 化学成分等非电学量 并把它们按照一定的规律转化成电压 电流等电学量 或转 化为电路通断的一类元件 请大家回忆一下光敏电阻 热敏电阻 霍尔元件各是把什么 物理量转化为电学量的元件 学生思考后回答 光敏电阻将光学量光学量转化为电阻这个电学量 热敏电阻将温度这个 热学量热学量转化为电阻这个电学量 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学电压这个电学 量量 这节课我们来学习传感器的应用 二 进行新课二 进行新课 1 传感器应用的一般模式 传感器应用的一般模式 师 阅读教材开头几段 然后合上书 在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图 提示 一般情况下 传感器产生的信号非常微弱 要想触发控制电路 此信号必须进 一步放大才可以 所以需要放大电路 即放大器 生 阅读教材并在练习本上画出传感器应用的一般模式示意图 传感器转换或放大电路 执行机构 仪表显示 微机系统 2 师 下面学习几个传感器应用的实例 2 力传感器的应用 力传感器的应用 电子秤电子秤 师 阅读教材 61 页最后一段 思考并回答问题 1 电子秤使用的测力装置是什么 它是由什么元 件组成的 2 简述力传感器的工作原理 3 应变片能够把什么力学量转化为什么电学量 生 阅读教材 思考并回答问题 生 1 电子秤的测力装置是力传感器 它是由一个金属梁和两个应变片一起组成了测 力部分 生 2 在金属梁没有力的情况下 金属梁处于水平状态 梁的上下应变片的长度没变 且相等 两应变片的电阻大小也相等 当给金属梁施加竖直向下的力时 金属 梁会向下弯曲 使得金属梁上面的应变片被拉长 电阻变大 两端电压也变大 而下边的应变片被挤压收缩 电阻变小 两端的电压也减小 使得两应变片两 端电压值不相等 存在差值 控制电路就通过这个差值 经过放大电路将差值 信号放大 再在显示器上显示出数字 即力 F 的大小 生 3 应变片能够将形变这个力学量转化为电阻这个电学量 师 总结点评 结合板画强调讲解应变片测力原理 3 声传感器的应用 声传感器的应用 话筒话筒 师 阅读教材 62 页有关内容 思考并回答问题 1 话筒的作用是什么 2 说明动圈式话筒的工作原理和工作过程 3 说明电容式话筒的工作原理和工作过程 这种话筒的优点是什么 4 驻极体话筒的工作原理是什么 有何优点 生 阅读教材 思考并回答问题 生 1 话筒的作用是把声音信号转化为电信号 生 2 动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象 膜片接收到声波后引起振动 连接在 膜片上的线圈随着一起振动 线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流 电 信号 感应电流的大小和方向都变化 振幅和频率的变化都由声波决定 这个 信号电流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 生 3 电容式话筒的工作原理 利用电容器充放电形成的充放电电流 薄金属膜 M 和 固定电极 N 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 R 两端就输出了与声音变化规律相同的 电压 优点优点 保真度好 3 生 4 驻极体话筒的原理同电容式话筒 只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄 膜 优点 体积小 重量轻 价格便宜 灵敏度高 工作电压低 师 指出 驻极体话筒利用了电介质的极化现象 将电介质放入电场中 在前后两个 表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象 某些电介质在电场中被极化后 去掉外加电场 仍然会长期保持被极化的状态 这种材料称为驻极体 师 演示实验 按照如图所示的连接驻极体话筒的工作电路 话筒的输出端经过隔直电容接到示波器 对着话筒喊话 观察示波器的荧光屏上的波形 再用另外一人同样对话筒喊话 比较 两次声音产生的波形有什么不一样 上述过程 就是话筒将声音信号转换为电信号的过程 生 观察实验现象 现象 不同的声波信号 荧光屏上显示的波形不同 说明话筒产生的电信号是由接收 到的声波控制的 4 温度传感器的应用 温度传感器的应用 电熨斗电熨斗 师 温度传感器是应用最广泛的传感器之一 它能把温度的高低转变成电信号 通常 是利用物体的某一物理性质随温度的变化而改变的特性制成的 电熨斗就是靠温度传感器 来控制温度的 实验 取一个报废的日光灯启辉器 去掉外壳 敲碎氖泡的玻璃 可以看到一个 U 型 的双金属片 双金属片的旁边有一根直立的金属丝 两者构成一对触点 常温下触点是分 离的 用火焰靠近金属片 可以看到双金属片的形状变化 与金属丝接触 熄灭火焰 双 金属片逐渐恢复原状 两个触点分离 把这个启动器用到温控开关 可以控制小灯泡的亮和灭 生 做实验 观察实验现象 师 电熨斗就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 投影 电熨斗结构图 如图所示 4 思考与讨论 1 常温下 上 下触点应是接触的还是分离的 当温度过高时 双金属片将怎样起 作用 2 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度 这是如何使用调温旋钮来实 现的 参考答案 1 常温下 上 下触点应是接触的 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 双金属片恢复原状 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 2 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度 此时可通过调温旋钮调节升降 螺丝 升降螺丝带动弹性钢片升降 从而改变触点接触的难易 达到控制在不同温度的目 的 拓展 拓展 温度传感器的另一应用 电冰箱的温控装置 如图所示是某种电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 连成密封的系统 里 面充有氯甲烷盒它的蒸汽 构成一个温度传感器 膜盒 3 为扁圆形 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盒静触点 控制制冷压缩机的工作 拉簧 7 的两端分别连接到弹簧片 4 盒连杆 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 自动控温原理自动控温原理 如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构 铜制的测温泡 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 构成了一个温 度传感器 膜盒为扁圆形 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 拉簧 7 的两端分别连接到弹簧片 和连杆 9 上 连杆 9 的下端装在机箱上的轴 凸轮 8 是由设定温度的旋钮控制的 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 当冷藏室里的温度升 高时 1 2 3 中的氯甲烷受热膨胀 弹性金属膜盒 3 的左端膨胀 推动弹簧片 4 5 向左转动 使 5 6 接触 控制的压缩机电路开始工作制冷 当温度下降到一定程 度 氯甲烷受冷收缩 5 6 又分开 制冷结束 直到下次温度升高再重复上述过程 温度设定原理温度设定原理 将凸轮 8 逆时针旋转 凸轮将连杆 9 向右顶 使得弹簧 7 弹力增大 此 时要将 5 6 触点接通 所需要的力就要大些 温度要高一些 即温控挡应低一些 例如 1 级 顺时针旋转凸轮 8 控制的温度低一些 控温挡要高一些 三 典型例题 三 典型例题 例 1 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 2 0 kg 的滑块可无摩擦滑动 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 在 的示数均为 10 N 取 g 10 m s2 1 若传感器 a 的示数为 14 N b 的示数为 6 0 N 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 分析 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 亦即该弹簧对滑块的弹力大小 解 1 如图所示 依题意 左侧弹簧对滑块向右的推力 F1 14N 右侧弹簧对滑块 的向左的推力 F2 6 0 N 滑块所受合力产生加速度 a1 根据牛顿第二定律有 121 maFF 得4 m s2 1 a a1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 因两弹簧相同 左弹簧伸长多少 0 1 F 右弹簧就缩短多少 所以右弹簧的弹力变为N 滑块所受合力产生加速度 由牛20 2 F 顿第二定律得 a2 10m s2 方向向左 22 maF 例例 2 2 如图 5 是电容式话筒的示意图 它是利用电容制作的传感器 话筒的振动膜前面镀 6 有薄薄的金属层 膜后距膜几十微米处有一金属板 振动膜上的金属层和这个金属板 构成电容器的两极 在两极间加一电压U 人对着话筒说话时 振动膜前后振动 使电 容发生变化 导致话筒所在电路中的其它量发生变化 使声 音信号被话筒转化为电信号 其中导致电容变化的原因可能 是容器两板间的 A A 距离变化 B 正对面积变化 C 介质变化 D 电压变化 例例 3 3 如图 9 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 个电阻R1 R2 R3 R4 如图 10 所示 左边是它的侧面图这四个电阻连接成电路如图 11 所示 试回答下列问题 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 大小如何变化 3 电阻变化后 电阻的A B两点哪点电压高 它为什么能测量电压 提示 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 由上图 因此R1 R4被拉长 R2 R3被拉宽 解析 1 本题是电路中A B两点间电压与 4 个电阻的关系 由于电压表的电阻可看作 无穷大 因此本电路是R1 R2的串联电路与R3 R4的串联电路并联 伏特表电路相当于 一根电桥 要使伏特表无读数 即A B两点电势相等则有 R1 R2 R3 R4或R1R4 R2R3 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 由上图 因此R1 R4被拉长 R2 R3被拉宽 根据电阻定率 则R1 R4增大 R2 R3 减小 显然 这时A B两点电压不再相等 3 电阻增大 电压降增大 电阻减小 电压降减小 故在R1 R2的串联电路上R1上的 电压降增大 R3 R4串联电路上R3电压降减小 所以 A 点电压高于B点电压 测量血压时 血压越高 压力F越大 金属片形变越显著 电阻变化越大 因而电压表示数越大 于是 就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了 当然在实际上由于金属片形变较小 所 以电阻变化也较小 A B两点间电压还要经过放大才能通过电表指示出来 有的还可以转 换成数字显示出来 课堂总结课堂总结 本节课主要学习了以下几个问题 力传感器的应用 电子秤 传感器的应用 声传感器的应用 话筒 金属 板 金属 膜 振动 膜 外电 路 图 5 P 图 9 FO P R1 R4 R2R3 O 图 10 V R1R2 R3R4 B A 图 11 7 温度传感器的应用 电熨斗 力传感器是把力信号转换成电信号 声传感器是把声音信