6.2 传感器的应用(人教高中选修3-2)
文档属性
| 名称 | 6.2 传感器的应用(人教高中选修3-2) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2012-10-25 16:48:48 | ||
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文档简介
课件45张PPT。1．了解传感器在日常生活和生产中的应用。
2．理解传感器在电子秤、电熨斗、火灾报警
器等日常用品上的应用原理。
3．会设计简单的有关传感器应用的控制电路，
提高分析解决问题的能力。1．传感器的应用
(1)一般模式：［读教材·填要点］ (2)放大转换电路的必要性：
①传感器输出的 相当微弱，难以带动执行机构去实现控制动作。
②远距离传递时要把它转换成其他电信号以抵御外界干扰。
2．传感器的应用实例
(1)力传感器的应用——电子秤
①组成及敏感元件：由金属梁和 组成，敏感元件是 ，一般用半导体材料制成。电信号应变片应变片②工作原理： ③作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。(2)温度传感器的应用实例：膨胀系数103℃103℃ (3)光传感器的应用：
火灾报警器利用 ，主要构造有：发光二极管LED、 和不透明的挡板。光传感器光电三极管［试身手·夯基础］1．电子秤中常用的一种力传感器是由金属梁和________
制成的。________是一种敏感元件，多由________材料制成。
答案：应变片 应变片 半导体2．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解析：膜片振动时，带动金属线圈运动，线圈内磁通量发生变化，产生感应电动势(感应电流)，故B项正确。
答案：B3．下列说法中正确的是 ( )
A．电饭锅中的敏感元件是光敏电阻
B．测温仪中测温元件可以是热敏电阻
C．机械式鼠标中的传感器接收到连续的红外线，输出
不连续的电脉冲
D．火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现低电阻
状态，有烟雾时呈现高电阻状态解析：电饭锅中的敏感元件是感温铁氧体，A错误；机械式鼠标中的传感器接收断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，C错误；火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现高电阻状态，有烟雾时呈现低电阻状态，D错误。
答案：B4．下列说法正确的是 ( )
A．电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片，两
片金属的膨胀系数相同
B．常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金
属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降
螺丝下移并推动弹性铜片下移
D．电熨斗中的双金属片是一种半导体材料解析：常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离；需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移。
答案：BC 1．分析思路
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。 1．如图6－2－1甲所示为温度在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＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，RT为热敏电阻，它的电阻随温度的变化图像如图6－2－1乙所示，当a、b两端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高，当Uab>0时，电压鉴别器会令S断开，停止加热，则恒温箱内的温度恒定在多少摄氏度？图6－2－1 [思路点拨] Uab＝0是S断开、闭合的分界点，由分压原理可计算出分界点对应的热敏电阻RT的阻值，然后由图6－2－1乙中读出对应的温度。[答案] 35℃ 各种恒温装置都有分界点，这个分界点可以是电阻值、电压值、电流值、温度值。仔细思考工作原理是找出工作电路通断分界点的关键。 1．力传感器的应用——电子秤
(1)组成：由金属梁和应变片组成。
(2)工作原理：如图6－2－2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变大，下表面的电阻变小。F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表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越大，由电压差值的大小，即可得到外力F的大小。图6－2－2 2．温度传感器的应用
(1)电熨斗：
①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，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。
②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6－2－3所示：图6－2－3 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：
①结构：如图6－2－4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。图6－2－4 ②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6－2－5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：
图6－2－5
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。 2．如图6－2－6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：图6－2－6 (1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A端的距离x1。
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A端的距离x2。
(3)在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端的距离也为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。[审题指导] 解答本题时应注意以下两个方面：
(1)P1离A点的距离x与弹簧的伸长量的关系。
(2)电路的连接方式及电压U与弹簧形变量的关系。
力学传感器的分析方法：
(1)分析清楚力传感器的工作原理，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。点击此图片进入“随堂检测 归纳小结” 1．传感器的应用过程可分为三个阶段：
(1)信息采集；
(2)信息加工、放大、传输；
(3)执行操作。
2．电子秤使用的测力装置是力传感器，由金属梁和应变片组成，应变片是敏感元件。
3．电熨斗和电饭锅都应用了温度传感器。电熨斗装有双金属片温度传感器，电饭锅的主要元件是感温铁氧体。
4．火灾报警器是光传感器，是利用烟雾对光的散射来工作的，由发光二极管、不透明的挡板、光电三极管组成。点击此图片进入“课下作业 综合提升”
2．理解传感器在电子秤、电熨斗、火灾报警
器等日常用品上的应用原理。
3．会设计简单的有关传感器应用的控制电路，
提高分析解决问题的能力。1．传感器的应用
(1)一般模式：［读教材·填要点］ (2)放大转换电路的必要性：
①传感器输出的 相当微弱，难以带动执行机构去实现控制动作。
②远距离传递时要把它转换成其他电信号以抵御外界干扰。
2．传感器的应用实例
(1)力传感器的应用——电子秤
①组成及敏感元件：由金属梁和 组成，敏感元件是 ，一般用半导体材料制成。电信号应变片应变片②工作原理： ③作用：应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。(2)温度传感器的应用实例：膨胀系数103℃103℃ (3)光传感器的应用：
火灾报警器利用 ，主要构造有：发光二极管LED、 和不透明的挡板。光传感器光电三极管［试身手·夯基础］1．电子秤中常用的一种力传感器是由金属梁和________
制成的。________是一种敏感元件，多由________材料制成。
答案：应变片 应变片 半导体2．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解析：膜片振动时，带动金属线圈运动，线圈内磁通量发生变化，产生感应电动势(感应电流)，故B项正确。
答案：B3．下列说法中正确的是 ( )
A．电饭锅中的敏感元件是光敏电阻
B．测温仪中测温元件可以是热敏电阻
C．机械式鼠标中的传感器接收到连续的红外线，输出
不连续的电脉冲
D．火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现低电阻
状态，有烟雾时呈现高电阻状态解析：电饭锅中的敏感元件是感温铁氧体，A错误；机械式鼠标中的传感器接收断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，C错误；火灾报警器中的光传感器在没有烟雾时呈现高电阻状态，有烟雾时呈现低电阻状态，D错误。
答案：B4．下列说法正确的是 ( )
A．电熨斗能自动控制温度主要利用了双金属片，两
片金属的膨胀系数相同
B．常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金
属片发生弯曲使上下触点分离
C．需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降
螺丝下移并推动弹性铜片下移
D．电熨斗中的双金属片是一种半导体材料解析：常温下，上下触点是接触的；温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分离；需要较高温度熨烫时，要调节温度旋钮，使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移。
答案：BC 1．分析思路
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。 1．如图6－2－1甲所示为温度在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＝20 kΩ，R2＝10 kΩ，R3＝40 kΩ，RT为热敏电阻，它的电阻随温度的变化图像如图6－2－1乙所示，当a、b两端电压Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高，当Uab>0时，电压鉴别器会令S断开，停止加热，则恒温箱内的温度恒定在多少摄氏度？图6－2－1 [思路点拨] Uab＝0是S断开、闭合的分界点，由分压原理可计算出分界点对应的热敏电阻RT的阻值，然后由图6－2－1乙中读出对应的温度。[答案] 35℃ 各种恒温装置都有分界点，这个分界点可以是电阻值、电压值、电流值、温度值。仔细思考工作原理是找出工作电路通断分界点的关键。 1．力传感器的应用——电子秤
(1)组成：由金属梁和应变片组成。
(2)工作原理：如图6－2－2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变大，下表面的电阻变小。F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表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越大，由电压差值的大小，即可得到外力F的大小。图6－2－2 2．温度传感器的应用
(1)电熨斗：
①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，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。
②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6－2－3所示：图6－2－3 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：
①结构：如图6－2－4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。图6－2－4 ②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6－2－5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：
图6－2－5
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。 2．如图6－2－6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：图6－2－6 (1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A端的距离x1。
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A端的距离x2。
(3)在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端的距离也为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。[审题指导] 解答本题时应注意以下两个方面：
(1)P1离A点的距离x与弹簧的伸长量的关系。
(2)电路的连接方式及电压U与弹簧形变量的关系。
力学传感器的分析方法：
(1)分析清楚力传感器的工作原理，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。点击此图片进入“随堂检测 归纳小结” 1．传感器的应用过程可分为三个阶段：
(1)信息采集；
(2)信息加工、放大、传输；
(3)执行操作。
2．电子秤使用的测力装置是力传感器，由金属梁和应变片组成，应变片是敏感元件。
3．电熨斗和电饭锅都应用了温度传感器。电熨斗装有双金属片温度传感器，电饭锅的主要元件是感温铁氧体。
4．火灾报警器是光传感器，是利用烟雾对光的散射来工作的，由发光二极管、不透明的挡板、光电三极管组成。点击此图片进入“课下作业 综合提升”