2019-2020学年高中物理 第三章 传感器 第三节 传感器的应用学案 粤教版选修3-2

第三节传感器的应用1.了解传感器在生活和生产中的应用，会运用传感器知识解释一些生活中的问题2.会通过图书馆、网络获取信息，自主学习，解释生产、生活中遇到的传感器的基本原理,学生用书p60)一、生活中的传感器1温度传感器的应用：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等与温度控制相关的家用电器2红外线控制器的应用：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光敏传感器的应用：照相机4压力传感器的应用：电子秤二、农业生产中的传感器传感器广泛应用于耕种、栽培、收割、运输、排灌等过程的自动控制，例如：1无人管理的自动灌溉系统，用到了湿度传感器2自动化温室种植用到了温度传感器3现代粮库采用了温度传感器和湿度传感器三、工业生产中的传感器生产安全中，如将一种埋入式光纤传感器安置在大桥或水坝中，随时可以监控大桥或水坝的裂痕等安全隐患；在自动控制系统中，如数控机床中的位移测量装置就是利用高精度位移传感器(如光栅传感器)对位移测量，从而实现精密加工四、飞向太空的传感器飞机保持一定飞行高度，当飞机高度变化时，大气数据计算机自动发出与给定高度的差值信号，并通过自动驾驶仪操纵升降舵，使飞机恢复给定高度；在运载火箭、载人飞船中，应用了传感器供遥测和遥控系统使用；对宇航员的各种生理状态的测量有生理传感器，如测量血压、心电图、体温等传感器的应用分析学生用书p601传感器的应用步骤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对于含有敏感元件的传感器，要明确使用了哪种敏感元件，根据敏感元件的原理，确定外界因素发生变化时，敏感元件将如何变化，又将会引起相应的电学量如何变化，根据电学量的变化作出相应的判断如图所示，图甲为热敏电阻的rt图象，图乙为用此热敏电阻r和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路，继电器线圈的电阻为200 .当线圈中的电流大于或等于20 ma时，继电器的衔铁被吸合为继电器线圈供电的电池的电动势e6 v，内阻可以不计图中的“电源”是恒温箱加热器的电源(1)应该把恒温箱内的加热器接在_端(填“a、b”或“c、d”)(2)如果要使恒温箱内的温度保持100 ，可变电阻r的值应调节为_.解析(1)当温度较低的时候，热敏电阻的电阻较大，电路中的电流较小，此时继电器的衔铁与ab部分连接，此时是需要加热的，恒温箱内的加热器要工作，所以该把恒温箱内的加热器接在a、b端(2)当温度达到100 时，加热电路就要断开，此时的继电器的衔铁要被吸合，即控制电路的电流要到达20 ma，根据闭合电路欧姆定律可得，i，由图甲可知，当100 时热敏电阻阻值为50 ，因此，0.02，解得r50 .答案(1)a、b(2)50有关热敏电阻的传感器应用问题，实际上是电路中的电阻计算问题和阻值变化问题，基本方法是根据欧姆定律确定电阻，再找电阻和温度的关系，或先根据温度确定电阻，再求解其他物理量 1.如图所示，图中1是弹簧，2是衔铁，3是触点，4是电磁铁，5是负温度系数的热敏电阻，6是滑动变阻器，7是电铃，它们组成一种温度自动报警电路，试说明这种简单温度自动报警电路的工作原理解析：当热敏电阻温度升高到一定值时，电磁铁电路中的电流增大，电磁铁吸引衔铁使电铃电路闭合，电铃响并报警；当温度下降后，电阻增大，电流减小，电磁铁磁性减弱，衔铁被弹簧拉起，电铃电路断开，电铃不发声答案：见解析传感器的应用实例学生用书p611力传感器的应用电子秤(1)构成：电子秤的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器由一个金属梁和两个应变片组成如图所示(2)工作原理：在金属梁没有受力的情况下，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，使得两应变片的两端电压值不相等，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(3)应用：力传感器常用于测量汽车载重，以及商店超市的电子秤(如图所示)2温度传感器的应用(1)电熨斗温度传感器：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，它可以把温度信号转换为电信号进行自动控制电熨斗的自动控温原理：其内部装有双金属片温度传感器，如图所示：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)电饭锅结构：如图所示，它的主要元件感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的它的特点是：常温下具有磁性，能被磁体吸引，但是温度上升到约103 时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了工作原理：电饭锅工作时，按下开关按钮，感温磁体与永磁体接触，两个接线螺钉通过触点相连，电路接通，开始工作，电饭锅内温度升高，当达到103 时，感温磁体与永磁体分离，带动触点分离，电路断开，不再加热，电饭锅停止工作3光传感器的应用火灾报警器如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是：带孔的罩子内装有发光二极管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，就会发出警报在不同的仪器中所使用的传感器一般不同，其原理也不尽相同，但它们都是将非电学量转化为电学量 命题视角1力传感器的应用(多选)如图是某电子秤的原理图，人只要站在踏板上，仪表g就能显示人的体重，踏板下面的传感器r实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻，显示体重的仪表g实质是理想电流表，如果不计踏板的质量，电阻r随人的体重g变化的函数关系式为rakg(a、k是常量，g和r的单位分别是n和)，下列说法正确的是()a传感器r是一个力电传感器b闭合电路测量时，电路中的电流随人的体重均匀变化c该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表g刻度盘的零刻度处d如果要扩大电子秤的量程，滑动变阻器r接入电路中的电阻应调大解析根据闭合电路欧姆定律列式得到电流的表达式和量程的表达式进行讨论即可r是将压力信号换成电信号的传感器，即力电传感器，故a正确；闭合电路测量时，电路中的电流：i，显然与人的体重不成线性关系，故b错误；当重力为零时，电流最小，但不为零，故c错误；由ig可知，kgmarr，因此变阻器接入电路中的电阻调大，可以测量的人的最大体重增大，故d正确答案ad力学传感器的分析方法(1)清楚力学传感器的工作原理，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 命题视角2温度传感器的应用如图所示，m是一小型理想变压器，接线柱a、b接在电压u311sin 134t(v)的正弦交流电源上，变压器右侧部分为一火警报警系统原理图，其中r2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表a2为值班室的显示器，显示通过r1的电流，电压表v2显示加在报警器上的电压(报警器未画出)，r3为一定值电阻当传感器r2所在处出现火警时，以下说法中正确的是()aa1的示数不变，a2的示数增大ba1的示数增大，a2的示数增大cv1的示数增大，v2的示数增大dv1的示数不变，v2的示数减小解析当传感器r2所在处出现火情时，r2的电阻减小，导致电路的总的电阻减小，所以电路中的总电流将会增大，a1测量的是原线圈中的总的电流，由于副线圈的电流增大了，所以原线圈的电流a1示数也要增大；由于电源的电压不变，原副线圈的电压也不变，所以v1的示数不变，由于副线圈中电流增大，r3的电压变大，所以v2的示数要减小，即r1的电压也要减小，所以a2的示数要减小，a、b、c错误，d正确答案d 命题视角3光传感器的应用电源、开关s和s、定值电阻r1、光敏电阻r2和电容器连接成如图所示电路，电容器的两平行板水平放置当开关s、s闭合，并且无光照射光敏电阻r2时，一带电液滴恰好静止在电容器两板间的m点当用强光照射光敏电阻r2时，光敏电阻的阻值变小，则()a液滴向下运动b液滴仍然静止cr2两端的电势差是否升高无法分析d当光照强度不变时断开s，把电容器的上极板向上移动一小段距离，则上极板的电势比a点的电势高解析当用强光照射光敏电阻r2时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流增大，r1两端间的电压增大，电容器的电压增大，板间场强增大，液滴所受的电场力增大，液滴向上运动，故a、b错误；当用强光照射光敏电阻r2时，光敏电阻的阻值变小，电路中电流增大，r2两端间的电压：ur2ei(r1r)一定减小，故c错误；当光照强度不变时断开s，电容器的带电量不变，电势差：ur1，把电容器的上极板向上移动一小段距离，d变大，故电势差ur1变大，由于下极板电势为零，故上极板的电势比a点的电势高，故d正确答案d2.如图所示的电路中，gmr为一个磁敏电阻，它的阻值随所处空间磁场的增强而增大，电源的内阻不可忽略闭合开关s1和s2后，当滑片p向右滑动时，则()al1、l2都变暗bl1、l2都变亮cl1变暗、l2变亮 dl1变亮，l2变暗解析：选d.当滑片p向右移动时，滑动变阻器接入电路的阻值增大，电源电压不变，所以电磁铁电路中的电流减小，电磁铁的磁场减弱，磁敏电阻阻值减小，右边电路的外电路电阻减小，电流变大，路端电压减小，故灯泡l2变暗；由于通过l1支路的电流变大，故l1变亮，选项d正确传感器与力学知识的综合应用学生用书p63 如图所示为某种电子秤的原理示意图，ab为一均匀的滑线电阻，阻值为r，长度为l，两边分别有p1、p2两个滑动头，p1可在竖直绝缘光滑的固定杆mn上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，p1刚好指着a端，p1与托盘固定相连，若p1、p2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为e，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，p1离a的距离x1.(2)托盘上放有质量为m的物体时，p1离a的距离x2.(3)托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节p2，使p2离a的距离也为x1，从而使p1、p2间的电压为零校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与p1、p2间的电压u之间的函数关系式思路点拨 托盘的移动带动p1移动，使p1、p2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于r为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比解析(1)由力的平衡知识知：m0gkx1，解得x1.(2)放上重物重新平衡后m0gmgkx2解得x2.(3)由闭合电路欧姆定律知eir由部分电路欧姆定律：uir串由题图知其中x为p1、p2间的距离，则xx2x1联立解得mu.答案(1)(2)(3)u3.(多选) 为锻炼身体，小明利用所学物理知识设计了一个电子拉力计，如图所示是原理图轻质弹簧右端和金属滑片p固定在一起(弹簧的电阻不计，p与r1间的摩擦不计)，弹簧劲度系数为100 n/cm.定值电阻r05 ，ab是一根长为5 cm的均匀电阻丝，阻值r125 ，电源输出电压恒为u3 v，理想电流表的量程为00.6 a当拉环不受力时，滑片p位于a端下列关于这个电路的说法正确的是()a小