3.3传感器的应-3.4用传感器制作自控装置 学案（2020年粤教版高中物理选修3-2）

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1、第三节传感器的应用第四节用传感器制作自控装置学科素养与目标要求物理观念：了解传感器在日常生活和生产中的应用科学探究：1.通过实验或演示实验，认识传感器在技术或生产中的应用.2.能设计简单的传感器应用电路科学态度与责任：通过对传感器原理及应用的了解，体会所学知识在实际应用中的价值，增强学习兴趣并培养正确的科学态度一、传感器的应用1生活中的传感器电饭煲、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，几乎都要用到温度传感器；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，均使用了红外线传感器；另外还有照相机中的光敏传感器、家用便携式电子秤的压力传感器等2农业生产

2、中的传感器无人管理的自动灌溉系统利用了湿度传感器；自动化温室种植中，温室的自动控温就是在温度传感器的帮助下实现的；现代粮库采用了温度传感器和湿度传感器3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，随时可以监测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)进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工4飞向太空的传感器在运载火箭、载人飞船中，应用传感器供遥测和遥控系统使用；对宇航员各种生理状况的测量有生理传感器，如测量血压、心电图、体温等二、用传感器制作自控装置课题：应用光敏电阻制作光控自动照明灯电路图1实

3、验器材二极管VD、晶闸管VS、光敏电阻RG、电阻R(7.5 M)、灯泡L.实验原理由晶闸管VS与电灯L构成主回路，控制回路由R与RG组成的分压器及二极管VD构成，如图1所示(1)当白天自然光线较强时，光敏电阻呈低电阻，与R分压后使晶闸管VS门电极处于低电平，VS关断(2)当夜幕降临时，照在RG上的自然光线减弱，RG呈高阻，使VS的门电极处于高电平，VS获正向触发电压而导通，灯L亮(3)改变R的阻值，即改变其与RG的分压比，可调整电路的起控点1判断下列说法的正误(1)电子秤中的应变片的电阻随形变大小而变化()(2)电熨斗和电饭锅都是利用双金属片控制电路通断的()(3)火灾报警器中的光电三极管的电

4、阻随光照的增强而变小()(4)利用红外线敏感元件可以实现无接触测温()2电子打火机的点火原理是压电效应，压电片在受压时会在两侧形成电压且电压大小与压力近似成正比现有一利用压电效应制造的电梯加速度传感器，如图2所示压电片安装在电梯地板下，电压表与压电片构成闭合回路用来测量压电片两侧形成的电压若发现电压表示数增大，则电梯加速度一定_(填“向上”或“向下”)，电梯可能_(填“加速”或“减速”)下降图2答案向上减速一、传感器的应用分析1传感器的应用步骤(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分析传感器应注意的四个分析(1)检测量分析：要明确传感器所检测的量，如力、热

5、、光、磁、声等(2)敏感元件分析：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)执行机构分析：分析非电学量与电学量之间的转换过程，分析根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程例1如图3甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器的滑片，使小灯泡发光亮度逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性用图丙中给定的器材设计一个自动光控电路并写出控制过程图3答案

6、见解析解析由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大根据题意设计的自动光控电路如图所示控制过程：当有光照射时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开，当无光照射时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个触点闭合，控制电路接通，灯开始工作二、传感器应用的实例分析1温度传感器的应用(1)电熨斗构造(如图4所示)图4敏感元件：双金属片工作原理：温度变化时，由于双金属片上层金属与下层金属的膨胀系数不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断(2)电饭锅构造(如图5所示)图5敏感元件：感温铁氧体工作原理(i)

7、居里温度：感温铁氧体常温下具有铁磁性，温度上升到约103 时，失去铁磁性，这一温度称为该材料的“居里温度”(ii)自动断电原理：用手按上开关通电加热，开始煮饭，当锅内加热温度达到103 时，铁氧体失去磁性，与永久磁铁失去吸引力，被弹簧片弹开，从而推动杠杆使触点开关断开2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

8、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63光传感器的应用火灾报警器如图7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：图7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，就会发出警报例2如图8所示是电饭煲的电路图，S1是一个温控开关，手动闭合后，当此开关温度达到居里点(103 )时，会自动断开S2是一个自动温控

9、开关，当温度低于70 时，会自动闭合；温度高于80 时，会自动断开红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯分流电阻R1R2500 ，加热电阻丝R350 ，两灯的电阻不计图8(1)分析电饭煲的工作原理；(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比；(3)简要回答，如果不闭合开关S1能将饭煮熟吗？答案见解析解析(1)接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80 时，S2自动断开，S1仍闭合；饭煮熟后，温度升高到103 时，S1自动断开，黄灯亮，电饭煲处于保温状态，由于散热，待温度降至70 时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到80

10、时，S2又自动断开，再次处于保温状态，如此循环(2)加热时电饭煲消耗的电功率P1，保温时电饭煲消耗的电功率P2，两式中R并 ，故.(3)如果不闭合S1，开始时S2是闭合的，R1短路，功率为P1；当温度上升到80 时，S2自动断开，功率降为P2；温度降低到70 ，S2自动闭合温度只能在7080 之间变化，不能将饭煮熟三、用温度传感器制作自动报警装置的设计例3传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)，例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，某热敏电阻RT阻值随温度变化的图线如图9甲所示，图

11、乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器线路图图9(1)为了使温度过高时报警器铃响，c应接在_(填“a”或“b”)处(2)若要使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器的滑片P向_(填“左”或“右”)移动(3)如果在调试报警器达到最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器的滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路不能正常工作的原因可能是_答案(1)a(2)左(3)电源提供电压太小，以至于电磁铁磁性太弱或弹簧劲度系数太大解析(1)热敏电阻RT在温度升高时阻值变小，电路中电流变大，电磁铁磁性增强，把右侧衔铁吸引过来，与a接触，故c应接在a处(2)为使启

12、动报警的温度提高，则应使电路中电阻更大，滑动变阻器的滑片应左移1(温度传感器的应用)传感器的种类多种多样，其性能也各不相同，空调机在室内温度达到设定的温度后，会自动停止工作，空调机内使用的传感器是()A生物传感器 B红外传感器C温度传感器 D压力传感器答案C2(力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，在升降机中将重物放在压敏电阻上，压敏电阻接在如图10甲所示的电路中，电流表示数变化如图乙所示，某同学根据电流表的示数变化情况推断升降机的运动状态，下列说法中正确的是()图10A0t1时间内，升降机一定匀速运动B0t1时间内，升降机可能减速上升Ct1t2时间内，升降机可能匀速上升Dt1

13、t2时间内，升降机可能匀加速上升答案B解析在0t1时间内，电流恒定，表明压敏电阻的阻值恒定，则重物对压敏电阻的压力恒定，则升降机可能处于静止、匀速运动或匀变速直线运动状态，故A选项错误，B选项正确；t1t2时间内，电流在增加，表明压敏电阻的阻值在减小，则重物对压敏电阻的压力在增大，重物的加速度是变化的，故不可能做匀速运动或匀加速运动，C、D选项错误3.(电容式传感器的应用)如图11所示是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液中，导线芯和导电液构成电容器的两极把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化显示电容值增大时，则导电液的深度h变化为()图11Ah增大 Bh减小 Ch不变 D无法确定答案A解析由题意知，导线芯和导电液构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极当液面高度发生变化时相当于两极板正对面积发生变化，会引起电容的变化与平行板电容器类比可得，导电液体深度h增大时，导线芯和导电液正对面积增大，电容器的电容值变大