62传感器的应用.docx
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62传感器的应用
6.2传感器的应用
预习案
一、教学目标
1.知识与技能
(1)了解什么是传感器,知道非电学量转化为电学量的技术意义;
(2)知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的
工作原理。
(3)了解传感器的应用。
2.过程与方法
通过对实验的观察、思考和探究,让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时,经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。
3.情感态度与价值观
(1)体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处,激发学生的学习兴趣,拓展学生的知识视野,并加强物理与STS的联系。
(2)通过动手实验,培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。
二、教学的重点与难点
1、教学重点:
理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。
2、教学难点:
分析并设计传感器的应用电路
三、自主学习
1.力传感器的应用——电子秤
(1)电子秤里有___________片、电压放大器、模数转换器微处理器和数字显示器等器件。
电阻应变片受到力的作用时,它的__________会发生变化,把应变片放在合适的电路中,他能够把物体______________这个力学量转换为______________这个电学量,因而电子秤是_________________的应用。
(2)工作原理:
如图所示,弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片,在梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻__________,下表面应变片的电阻变小。
F越大,弯曲形变___________,应变片的阻值变化就越大。
如果让应变片中通过的电流保持恒定,那末上面应变片两端的电压变大,下面应变片两端的电压变小。
传感器把这两个电压的差值输出。
外力越大,输出的电压差值也就____________。
2.温度传感器的应用-电熨斗
(1)在电熨斗中,装有双金属片温度传感器,其作用是____________,当温度发生变化时,双金属片的____________不同,从而能控制电路的通断。
(2)电熨斗的自动控温原理:
常温下,上、下触点是接触的,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__________,下部金属膨胀________,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,重新接通电源,从而保持温度不变。
3.电饭锅的工作原理
(1)开始煮饭时,用手压下开关按钮,永磁体与感温磁体相吸引,手松开后,按钮不再恢复到初始状态,则触点接通,电热板通电加热,水沸腾后,由于锅内保持1000C不变,故感温磁体仍与永磁体相吸,继续加热,直到饭熟后,水份被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里点”1030C时感温磁体失去磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源,从而停止加热。
4.光传感器的应用—火灾报警器
有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的,其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,呈现状态。
烟雾进入罩内后对光有作用,使部分光线照射到上,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。
四、预习自测
1、下列器件是应用光传感器的是()
A.鼠标器B.火灾报警器C.测温仪D.电子秤
2、下面元件不属于温度传感器的是()
A.电熨斗B.电饭锅C.测温仪D.鼠标器
3、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
4、关于电饭锅的说法正确的是()
A.电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁
B.铁氧体在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性
C.用电饭锅烧水,水开时能自动断电
D.用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位
【参考答案】预习自测
1.BD2.B3.AC4.B
探究案
几种传感器的应用
一、力学传感器的应用
例1如图6-2-4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个可以形变的电阻R1、R2、R3、R4,如图乙.图甲是它的侧面图,这4个电阻连成的电路如图丙所示,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,形变后各电阻阻值大小如何变化?
二、温度传感器的应用
例2如图所示,甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图,箱内的电阻R1=20kΩ、R2=10kΩ、R3=40kΩ,Rt为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示,a、b端电压Uab≤0时,电压鉴别器会令开关S接触,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度升高;当a、b端电压Uab>0时,电压鉴别器会令开关S断开,停止加热,则恒温箱内的温度可保持在( )
A.10℃B.20℃C.35℃D.45℃
例3电饭煲的工作原理如图所示,可分为两部分,即控制部分:
由S2、、R1和黄灯组成,工作(加热)部分;有发热电阻R3、、R2和红灯组成,S1是一个磁钢限温开关,手动闭合,当此开关的温度达到居里点(103℃)时,自动断开,且不能自动复位,S2是一个双金属片自动开关,当温度达到70℃—80℃时,自动断开,低于70℃时,自动闭合,红灯、黄灯是指示灯,通过其电流必须较小,所以R1、R2起___________作用,R3是发热电阻,由于煮饭前温度低于70℃,所以S2是__________(填断开或闭合)。
接通电源并按下S1后,黄灯熄而红灯亮,R3发热,当温度达到70℃—80℃时,S2断开,当温度达到103℃时饭熟,S1断开,,当温度降到70℃以下时,S2闭合,电饭煲处于保温状态,由以上描述可知R2R3(填﹤或﹦或﹥),若用电饭煲烧水时,直到水被烧干S1才会断开,试解释此现象。
三、光传感器的应用
例4如图6-2-8所示为一实验中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图.A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在车身上,C为小车的车轮,D为与C同轴相连的齿轮.车轮转动时,A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B接收并转换成电信号,由电子电路记录和显示.若实验显示单位时间内脉冲数为n,累计脉冲数为N,则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是________;小车速度的表达式为v=________;行程的表达式为s=______.
训练案
1.下列装置中利用了温度传感器的是( )
A.电熨斗B.电饭锅
C.电子秤D.火灾报警器
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换成电信号的过程,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
3.人类发射的绕地球运转的所有航天器,在轨道上工作时都需要电能,所需要的电能都是由太阳能电池把太阳能转化为电能得到的,要求太阳能电池板总是对准太阳,为达到这一要求应利用下列哪种传感器来感知太阳方位( )
A.力传感器B.光传感器
C.温度传感器D.生物传感器
4.如图6-2-11是自动调温式电熨斗,下列说法正确的是( )
图6-2-11
A.常温时上下触点是接触的
B.双金属片温度升高时,上金属片形变较大,双金属片将向下弯曲
C.原来温度控制在80℃断开电源,现要求60℃断开电源,应使调温旋钮下调一些
D.由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态,应使调温旋钮下移一些
5.唱卡拉OK用的话筒,内有传感器.其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号.下列说法正确的是( )
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势
6.关于电饭锅的说法正确的是( )
A.电饭锅中的温度传感器是氧化铁
B.铁氧体在常温下具有磁性,温度升至居里点时失去铁磁性
C.当温度越过103℃时,感温体磁性较强
D.用电饭锅煮饭时,温控开关自动断电后,它不能自动复位
7.如图6-2-12所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图:
罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态.发生火灾时,下列说法正确的是( )
图6-2-12
A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电阻更大,检测电路检测出变化发出警报
B.光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测出变化发出警报
C.进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报
D.以上说法均不正确
8.如图6-2-13甲所示,质量不计的弹簧竖直固定在水平面上,t=0时刻,将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放,小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点,然后又被弹起离开弹簧,上升到一定高度后再下落,如此反复.通过安装在弹簧下端的压力传感器,测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图象如图乙所示,则( )
图6-2-13
A.t1时刻小球动能最大
B.t2时刻小球动能最大
C.t2~t3这段时间内,小球的动能先增加后减少
D.t2~t3这段时间内,小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能
9.如图6-2-14甲所示为一根竖直悬挂的不可伸长的细绳,绳长为l,下端拴一质量为m的小物块A,上端固定在C点且与一能测量绳拉力的传感器相连,已知有一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入A内(未穿透),接着两者一起绕C点在竖直平面内做圆周运动,在各种阻力都忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间t的变化关系如图乙所示,已知子弹射入的时间极短,且图中t=0为A,B开始以相同速度运动的时刻,根据力学规律和题(包括图)中提供的信息,求物块在最高点和最低点的速度.
图6-2-14
10.电流传感器可以像电流表一样测量电流,它的优点是反应非常快,可以捕捉到瞬间的电流变化,还可以与计算机相连,能在很短的时间内画出电流随时间的变化图象.
按图6-2-15甲连接电路,提供8V直流电源,先使开关S与1相连,电源向电容器充电,这个过程可在瞬间完成,然后把开关S掷向2,电容器通过电阻R放电,传感器将电流信息传入计算机,屏上显示出电流随时间变化的I-t曲线,如图乙所示.
图6-2-15
(1)图乙中画出的竖直狭长矩形(图乙最左端),其面积表示的物理意义是:
________;
(2)估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量是________C;
(3)根据以上数据估算,电容器的电容是________F.
11.有一种测量压力的电子秤,其原理图如图6-2-16所示.E是内阻不计、电动势为6V的电源.R0是一个阻值为300Ω的限流电阻.G是由理想电流表改装成的指针式测力显示器.R是一个压敏电阻,其阻值可随压力大小变化而改变,其关系如下表所示.C是一个用来保护显示器的电容器.秤台的重力忽略不计.试分析:
图6-2-16
压力F/N
0
50
100
150
200
250
300
…
电阻R/Ω
300
280
260
240
220
200
180
…
(1)利用表中的数据写出电阻R随压力F变化的函数式.
(2)若电容器的耐压值为5V,该电子秤的最大称量值为多少?
(3)如果把电流表中电流的刻度变换成压力刻度,则该测力显示器的刻度是否均匀?
答案
探究案
例1【思路点拨】 电压表无示数也就是A、B两点等电势,即R1与R2的分压情况和R3与R4的分压情况完全相同.
【精讲精析】
(1)本问题是求电路A、B两点的电压与4个电阻的关系,由于电压表的电阻可以看做无穷大,因此本电路是R1与R2串联,R3与R4串联,然后它们再并联,设上面部分电流为I上,下面部分电流为I下,要使A点电势等于B点电势,则应有电阻R1上的电压等于R3上的电压,电阻R2上的电压等于电阻R4上的电压,即
I上R1=I下R3①
I上R2=I下R4②
联立①②式得到
=
.
(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,因此R1、R4被拉长,R2、R3被拉宽,即R1、R4增大,R2、R3减小,这时A、B两点电势不再相等.
【答案】
(1)
=
(2)R1、R4增大 R2、R3减小
例2【自主解答】 通过审题可知Uab=0是一个电压的临界点,对应着开关S的动作,而开关的动作对应着温度的上升或下降.由电路分析可知,在R1、R2、R3给定的条件下,热敏电阻Rt的阻值决定了Uab的正负.设电源负极的电势为零,则Φa=
U,Φb=
U,其中U为电源的路端电压,令Φa=Φb,即Uab=0,则可得
=
,代入数据得Rt=20kΩ,查图表得对应的温度为35℃,故本题选项C正确.
答案:
C
例3【解析】R1、、R2起的作用是限流,防止指示灯因电流过大而烧毁,S2是自动控温开关,当温度低于70℃时自动闭合,当温度高于70℃—80℃时又自动断开,使电饭煲处于保温状态,由于R3的功率较大,因此R2﹥R3,由于开关S1必须当温度达到103℃时才自动断开,而水的沸点只有100℃,所以用电饭煲烧水时,直到水被烧干后S1才会断开
例4
【精讲精析】 这是一道以实际问题为背景的实验题,显然无法通过迁移课本实验中的方法来解决.但是题目给出了装置图,该图及题文中的相关说明给我们一定提示,光束原来是连续的,是转动的齿轮使光束变为脉冲,因此脉冲情况必定与齿轮(或车轮)的转动有关,也就与速度和行程有关.
【答案】 车轮的半径R和齿轮齿数P
训练案
1解析:
选AB.电熨斗、电饭锅都是通过温度传感器来控制温度,A、B正确;电子秤是利用力传感器来测力的,C错误;火灾报警器是利用烟雾对光的散射,使光照射到光电三极管上,光电三极管的电阻减小引起电流变化而发出警报,因此火灾报警器是光电传感器,故D错.
2解析:
选A.红外报警装置是传感器把光信号(红外线)转换成电信号;走廊照明灯的声控装置是传感器把声音信号转换成电信号;自动洗衣机中的压力传感装置是把位移信号转换成电信号,电饭煲中控制加热和保温的温控器把温度信号转换成电信号.
3解析:
选B.太阳帆的有效采光面积不同,所产生的电流不同,当电流最大时正对太阳,所以应用的是光传感器,B对,A、C、D错.
4解析:
选ABD.常温工作时,上下触点是接通的,当温度升高时,上层金属片形变大,向下弯曲,切断电源,由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态时,温度要升高,则应使调温旋钮下移一些,A、B、D对,C错.
5解析:
选B.当声波使膜片前后振动时,膜片后的金属线圈就跟着振动,从而使处于永磁体的磁场中的线圈切割磁感线,穿过线圈的磁通量发生变化,产生感应电流,从而将声音信号转化为电信号,这是利用电磁感应原理.
6解析:
选BD.电饭锅中的温度传感器其主要元件是铁氧体,故A错,B选项正确.当温度超过103℃时,感温体磁性消失,则选项C错,温控开关只能手动闭合,故D正确.
7解析:
选C.由火灾报警器的原理可知,发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照在光电三极管上电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化,发出警报,C对.
8解析:
选C.0~t1时间内小球做自由落体运动,落到弹簧上并往下运动的过程中,小球重力与弹簧对小球弹力的合力方向先向下后向上,故小球先加速后减速,t2时刻到达最低点,动能为0,A、B错;t2~t3时间内小球向上运动,合力方向先向上后向下,小球先加速后减速,动能先增加后减少,C对;t2~t3时间内由能量守恒知小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能减去小球增加的重力势能,D错.
9解析:
在最高点时,绳的拉力为0,则
(m+m0)g=
解得v1=
.
在最低点时,绳的拉力为Fm,则
Fm-(m+m0)g=
解得v2=
.
答案:
10解析:
(1)图象纵坐标为电流I,横坐标为时间t,由公式q=It可知,矩形面积为放电电荷量.
(2)每个小方格的面积代表放电电荷量q0=0.08×10-3C,共有75格,则放电电荷量Q=75q0=6.0×10-3C.
(3)由Q=CU可知C=
=7.5×10-4F.
答案:
(1)0.1s内的放电电荷量
(2)6.0×10-3
(3)7.5×10-4
11解析:
(1)由表中数据可知k=
=
=0.4Ω/N
所以电阻R随压力F变化的函数表达式为
R=(300-0.4F)Ω.
(2)R上受到的压力越大,R的阻值越小,电容器两端电压越大,但不能超过5V,所以
=
,解得R=60Ω,
又∵R=(300-0.4F)Ω,得出F=600N.
(3)电流表中的电流I=
=
,电流I与压力F不是线性关系,则该测力显示器的刻度不均匀.
答案:
(1)R=300-0.4F
(2)600N (3)不均匀
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