传感器的应用实例教案

6.4传感器的应用实例

教学目标

（一）物理观念

1.了解两个实验的基本原理。

2.通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力。

（二）科学思维

1.了解斯密特触发器的工作特点，能够分析光控电路的工作原理

2.熟悉温度报警器的电路工作原理

（三）科学探究

通过实验培养动手能力，体会传感器在实际中的应用。

（四）科学态度与责任

在实验中通过动手组装和调试，增强理论联系实际的意识，激发学习兴趣，培养艮好的

科学态度。

教学方法

实验法、观察法、讨论法。

教学手段

实验过程中用到的有关器材、元器件等，由实验室统一准备

教学过程

（一）引入新课

随着人们生活水平的提高，传感器在工农业生产中的应用越来越广泛，如走廊里的声、

光控开关、温度报警器、孵小鸡用的恒温箱、路灯的自动控制、银行门口的自动门等，都用

到了传感器.传感器的工作离不开电子电路，传感器只是把非电学量转换成电学量，对电学

量的放大,处理均是通过电子元件组成的电路来完成的.

这节课我们就来动手组装光控开关或温度报警器。

（二）进行新课

实验1、光控开关

1.实验原理及知识准备

（投影）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯,

RG为光敏电阻，片的最大电阻为51kQ,R?为330kQ,试分析

其工作原理.

白天，光强度较大，光敏电阻能电阻值较小，加在斯密特

触发器A端的电压较低，则输出端Y输山高电平，发光二极管

LED不导通；当天色暗到一定程度时，色的阻值增大到一定值，

斯密特触发器的输入端AII勺电压上升到某个值（1.6V）,输出端Y突然从高电平跳到低电平，

则发光二极管LED导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开

启的目的.

（1）要想在天更暗时路灯才会亮，应该把色的阻值调大些还是调小些？为什么？

应该把%的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V,

就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。。

（2）用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？

由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工

作电路.

（投影）如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E

为静触点.试分析电磁继电器的工作原理.

当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与

E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔快B在弹簧作用下拉

起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路.

试说明控制电路的工作原理。

天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特

触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电

平，线圈中无电流，工作电路不通：天较暗时，

光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A

电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平

突然跳到低电平，有电流通过线圈A,电磁继电

器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明

后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势

逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电

平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭.

分组实验。

2.温度报警器

上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏

电阻的阻值变化，从而达到报警的目的.这种设计其敏感性是否值的怀疑，你想过吗？既然

发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？

（投影）温度报警器的工作电路，如图所示。试分析其工作原理。

常温下，调整R】的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平,

无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻

当阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一

值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，

从而发出报警声，凡的阻值不同，则报警温度不同.

怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小Ki

的阻值，％阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即

温度越高.

分组实验。

（三）课堂总结、点评

本节课主要学习了以下几个问题：

,光控开关

传感器的应用实例v

L温度报警器

（四）实例探究

电磁继电器与自动控制

【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干.如

图所示，试设计一个温控电路.要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一

温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程.

电炉丝

第六章传感器

（一）本章知识结构梳理（投影复习提纲，可以印发提纲，要求学生课下预习完成）

1.什么是传感器？它是怎样的一类元件？

2.热敏电阻和金属热电阻是一回事吗？它们的阻值随温度分别怎样变化？

3.霍尔电压U*，式中各量分别表示什么？

4.光敏电阻有何特性？

5.传感器应用的一般模式是怎样的？请画图表示。

G.常用的一种力传感器是由和组成的，是一种敏感元件,

现在多用半导体材料组成，受压时其上表面拉伸，电阻变,下表面压缩，电阻变。

外力越大，这两个表面的电压差值就越0

7.指出以下传感器应用的实例中，所应用的传感器，或主要元件。

（1）电子秤：一______的应用，敏感元件是一

（2）话筒：_____—的应用，分______和—_____两种。

（3）电熨斗：—______的应用，敏感元件是一______，作用：控制—_____的通断。

（4）电饭锅：—______的应用，敏感元件是_______，作用：控制—_____的通断。

（5）测温仪：的应用，测温元件是或、、O

（6）鼠标器：____的应用，土要元件是一____或_____

（7）火灾报警器：的应用，利用烟雾对来工作的。

8.如图所示是光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，&的最大电阻为

51kQ,/?2为330kQ,试分析其工作原理.

+5V

要想在天更暗时路灯才会亮，应该把Ri的阻值调大些还是调

小些？R1心

9.如图所示温度报警器的工作电路，试分析其工作原理。

IcIirn

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应该把+5V

%的阻值调大些还是调小些？

蜂鸣器

（二）精题讲练

1、热敏电阻的特性Ri」

【例J1］如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆”工

挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt（负温度系数热欧姆表

心

敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表

针恰好指在刻度盘的正中旧.若往R,上擦一些酒精，表针将向R

（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。

针对练习1：如图所示，R1为定值电阻，/?2为负温度系数的热敏电阻（负温度系数热敏

电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻），L为小灯泡，当温度降低时（）

A.R1两端的电压增大

B,电流表的示数增大

C.小灯泡的亮度变强

D.小灯泡的亮度变弱

2、光敏电阻的特性

［例2］如图所示，％、&为定值电阻，L为小灯泡，心为光敏电阻,

当照射光强度增大时，（）

A.电压表的示数增大B.R2中电流减小

C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大

跟踪练习2：如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆档，再将

电表的两支表笔分别与光敏电阻用的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘欧姆表

的正中间.若用不透光的黑纸将《包裹起来，表针将向（填''左”

或“右”）转动；若用手电筒光照射吊，表针将向（填“左”或“右”）

转动。R.

3、力传感器的应用

［例3］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,两边分别有匕、P?两个滑动头，Pi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，P】刚好指着八端，Pi与托盘固定相连，

若Pi、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转奥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匕托盘自身质量为m0,电源电动势为E,内阻不计，当地的重力

加速度为g0求：

（1）托盘上未放物体时，在托盘自身

重力作用下，Pl离A的距离XI.

（2）托盘上放有质量为m的物体时，

P1离A的P1离X2.

（3）在托盘上未放物体时通常先核准

零点,其方法是：调节P2,使P2离A的距

离也为XI，从而使Pl、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Pi、P2间的电压U之间的函

数关系式.

跟踪练习3：磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为

B-

—.式中8是磁感应强度，〃是磁导率，在空气中〃为一己知常数.为了近似测得条形磁

2〃

铁磁极端面附近的磁感强度8,一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片

P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离△/，并测出拉力F,如图所示.因为F所做的功等

于间隙中磁场的能量，所以由此可得磁感应强度8与F、A之间的关系为8=

4、温度传感器的应用

【例4】家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酸酸领等半导

体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、

控温两重功能，对此以下说法中正确的是（）

A.通电后其功率先增大后减小

B.通电后其功率先减小后增大

C.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在h至上的某一

值不变

D.当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在b或h不变

跟踪练习4：一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金

丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①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②所示.试根据图线分析：

（1）为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍也熨斗升温快？

（2）通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在7<t<T范围之内.（填下标

数字）

5、霍尔元件的应用

【例5】如图所示，厚度为从宽为d的导体板放在垂直于•它的磁感应强度为8的均匀磁

场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面4和下侧

面4,之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验

表明，当磁场不太强时电势差U,电流/和B的关系为

U^k—,式中的比例系数k称为霍尔系数。

霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的

电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向

电场对电子施加与洛伦兹刀方向相反的静电力，当静电刀与洛伦兹力达到平衡时，导体板上

下两侧之间就会形成稳定的电势差。

设电流/是由电子定向流动形成的，电子的平均定向速度为v,电量为e,回答下列问题:

（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势下侧面A的电势（填高于、低于

或等于）。

（2）电子所受的洛伦兹力的大小为o

（3）当导体板上下两侧之间的电势差为。时，电子所受的静电力的