物理學(xué)案（新教材粵教版）第十三章第4講傳感器實驗利用傳感器制作簡單的自動控制裝置

第4講傳感器實驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置目標(biāo)要求1.掌握制作傳感器常用元件：光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電阻應(yīng)變片、霍爾元件的基本特性及工作原理.2.探究傳感器的工作原理及傳感器應(yīng)用的一般模式.3.能利用傳感器制作簡單的自動控制裝置．考點一常見的傳感器一、傳感器及其工作原理1．概念：能感受被測量的信息，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置叫傳感器．2．傳感器的組成：傳感器一般由______________、轉(zhuǎn)換元件和________________三部分組成．(1)敏感元件：能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分．(2)轉(zhuǎn)換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成____________的部分．(3)信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路：能把輸出的微弱的電信號放大的部分．3．傳感器的分類工作原理舉例物理傳感器利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)感知并檢測出待測對象信息力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等化學(xué)傳感器利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度轉(zhuǎn)換為電信號離子傳感器、氣體傳感器等生物傳感器利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等二、常見敏感元件1．光敏電阻(1)特點：光照越強(qiáng)，電阻________．(2)作用：把________________這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為________這個電學(xué)量．2．熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻a．正溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度的上升而________．b．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度的上升而________．c．臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值在很小的溫度范圍內(nèi)急劇________．如圖甲所示為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線．(2)金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的升高而________，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線．(3)作用：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．1．傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的元件．()2．傳感器只能感受溫度和光兩個物理量．()3．隨著光照的增強(qiáng)，光敏電阻的電阻值逐漸增大．()4．電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號．()霍爾元件的應(yīng)用霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的一種磁敏元件．一般用于電機(jī)中測定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，如錄像機(jī)的磁鼓、電腦中的散熱風(fēng)扇等．(1)霍爾元件的工作原理：E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B時，薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)．(2)霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時，載流子所受電場力和洛倫茲力二力平衡．(3)霍爾電壓：UH＝keq\f(IB,d)(d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù))．其中UH與B成正比，所以霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量．例1(2022·重慶卷·11)某興趣小組研究熱敏電阻在通以恒定電流時，其阻值隨溫度的變化關(guān)系．實驗電路如圖所示，實驗設(shè)定恒定電流為μA，主要實驗器材有：恒壓直流電源E、加熱器、測溫儀、熱敏電阻RT、可變電阻R1、電流表A、電壓表V.(1)用加熱器調(diào)節(jié)RT的溫度后，為使電流表的示數(shù)仍為μA，須調(diào)節(jié)________________(選填一種給定的實驗器材)．當(dāng)RT兩端未連接電壓表時，電流表示數(shù)為μA；連接電壓表后，電流表示數(shù)顯著增大，須將原電壓表更換為內(nèi)阻____________(選填“遠(yuǎn)大于”“接近”或“遠(yuǎn)小于”)RT阻值的電壓表．(2)測得RT兩端的電壓隨溫度的變化如圖所示，由圖可得溫度從℃變化到℃的過程中，RT的阻值隨溫度的平均變化率是________kΩ·℃－1(保留2位有效數(shù)字)．例2(2023·廣東茂名市模擬)某小組研究光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律．實驗已選用了規(guī)格和量程合適的器材．(1)用多用電表粗測光敏電阻在實驗室正常光照條件下的阻值．選擇×1k倍率的歐姆擋，將兩表筆短接，調(diào)節(jié)________旋鈕，使指針指在“0Ω”處．將兩表筆與光敏電阻連接，測量的示數(shù)如圖甲，則其電阻為________Ω.(2)按圖乙連接好電路進(jìn)行測量．(3)閉合開關(guān)S前，將電阻箱R調(diào)至________(選填“最大值“或“最小值”)．將一光源對準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口，利用手機(jī)軟件測量光敏電阻所處位置的光照強(qiáng)度．閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱R，使電壓表(可視為理想電表)的指針偏轉(zhuǎn)到某一位置．待示數(shù)穩(wěn)定后記錄此時的光照強(qiáng)度，電壓表的示數(shù)U和R.斷開開關(guān)S.已知電源電動勢為E，內(nèi)阻可以忽略不計，則此時光敏電阻阻值R1＝____________.(4)改變光敏電阻所處位置的光照強(qiáng)度，測量不同光照強(qiáng)度下的光敏電阻阻值，并據(jù)此繪出如圖丙的關(guān)系圖線，可以大致得到光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度的變大而________．例3(多選)如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數(shù)，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況．以下說法正確的是(工作面是指較大的平面)()A．將永磁體的一個磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面，UH將變大B．在測定地球兩極的磁場強(qiáng)弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C．在測定地球赤道上的磁場強(qiáng)弱時，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平D．改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化考點二傳感器的應(yīng)用1．傳感器的應(yīng)用步驟物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉(zhuǎn)換為便于測量的電學(xué)量的器件．我們可以把傳感器的應(yīng)用過程分為三個步驟：(1)信息采集．(2)信息加工、放大、傳輸．(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作．2．分析傳感器問題要注意三點(1)感受量分析：要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等．(2)輸出信號分析：明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號，以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律．(3)電路結(jié)構(gòu)分析：認(rèn)真分析傳感器所在的電路結(jié)構(gòu)，在熟悉常用電子元件工作特點的基礎(chǔ)上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律．3．傳感器的應(yīng)用實例(1)力傳感器的應(yīng)用——電子秤①構(gòu)成：電子秤的測力裝置是力傳感器，常用的一種力傳感器由一個金屬梁和兩個應(yīng)變片組成．如圖所示．②工作原理：在金屬梁沒有受力的情況下，金屬梁處于水平狀態(tài)，梁的上下應(yīng)變片的長度不變且相等，兩應(yīng)變片的電阻大小也相等，當(dāng)給金屬梁施加豎直向下的力時，金屬梁會向下彎曲，使得金屬梁上面的應(yīng)變片被拉長，電阻變大，兩端電壓也變大，而下邊的應(yīng)變片被擠壓收縮，電阻變小，兩端的電壓也減小，使得兩應(yīng)變片的兩端電壓值不相等，存在差值，控制電路就通過這個差值，經(jīng)過放大電路將差值信號放大，再在顯示器上顯示出數(shù)字，即力F的大小．③應(yīng)用：力傳感器常用于測量汽車載重(如圖所示)，以及商店超市的電子秤．(2)溫度傳感器的應(yīng)用①電熨斗a．溫度傳感器：由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行自動控制．b．電熨斗的自動控溫原理：其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖所示：常溫下，上下觸點應(yīng)是接觸的，當(dāng)溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，則雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電源停止加熱，溫②電飯鍋a．結(jié)構(gòu)：如圖所示，它的主要元件感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結(jié)而成的．它的特點是：常溫下具有磁性，能被磁體吸引，但是溫度上升到約103℃時，就失去了磁性，不能被磁體吸引了．b．工作原理：電飯鍋工作時，按下開關(guān)按鈕，感溫磁體與永磁體接觸，兩個接線螺釘通過觸點相連，電路接通，開始工作，電飯鍋內(nèi)溫度升高，當(dāng)達(dá)到103℃時，感溫磁體與永磁體分離，帶動觸點分離，電路斷開，不再加熱，電飯鍋停止工作．(3)光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報警器如圖所示為利用煙霧對光的散射來工作的一種火災(zāi)報警器，其工作原理是：帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．平時，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變?。c傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報．例4(多選)如圖是某電子秤的原理圖，人只要站在踏板上，儀表G就能顯示人的體重，踏板下面的傳感器R實質(zhì)是一個阻值可隨壓力大小而變化的電阻，顯示體重的儀表G實質(zhì)是理想電流表，如果不計踏板的質(zhì)量，電阻R隨人的體重G變化的函數(shù)關(guān)系式為R＝a－kG(a、k是常量，G和R的單位分別是N和Ω)，下列說法正確的是()A．傳感器R是一個力電傳感器B．閉合開關(guān)測量時，電路中的電流隨人的體重均勻變化C．該秤零刻度線(即踏板空載時的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤的零刻度處D．如果要擴(kuò)大電子秤的量程，滑動變阻器R′接入電路中的電阻應(yīng)調(diào)大聽課記錄：______________________________________________________________________________________________________________________________________考點三實驗：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置應(yīng)用光敏電阻制作光控自動照明燈電路．1．實驗?zāi)康模私馀c傳感器技術(shù)相關(guān)的物理知識，練習(xí)用傳感器制作自動控制裝置．2．實驗器材．二極管VD、晶閘管VS、光敏電阻RG、定值電阻R(MΩ)、燈泡L、多用電表、導(dǎo)線．3．實驗原理．由晶閘管VS與燈泡L構(gòu)成主回路，控制回路由R與RG組成的分壓器及二極管VD構(gòu)成，如圖所示．(1)當(dāng)白天自然光線較強(qiáng)時，光敏電阻呈低電阻，此時，通過VD和R后的電流主要分流到RG支路，而流向門極G的電流變小，不足以觸發(fā)導(dǎo)能VS，VS關(guān)斷．(2)當(dāng)夜幕降臨時，照在RG上的自然光線減弱，RG呈高阻，流向門極G的電流增大，VS獲得正向觸發(fā)電壓而導(dǎo)通，燈L亮．(3)改變R的阻值，即改變其與RG的分壓比，可調(diào)整電路的起控點．4．二極管VD、晶閘管VS的特性．(1)二極管：具有單向?qū)щ娦裕?dāng)給二極管加正向電壓時，它的阻值很??；當(dāng)給二極管加反向電壓時，它的電阻很大．(2)晶閘管VS：當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)．當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極承受正向電壓情況下晶閘管才導(dǎo)通．5．實驗步驟．(1)將多用電表旋鈕撥至R“×1k”擋，調(diào)零后，測量電阻R的阻值，檢查R是否符合要求．(2)將多用電表旋鈕撥至R“×1k”擋，調(diào)零后，用兩表筆分別接二極管兩極，然后將兩表筆位置對調(diào)．若兩次測量結(jié)果一次較小，一次很大，則二極管性能良好．(3)將多用電表旋鈕撥至R“×1k”擋，紅表筆接晶閘管K極，黑表筆同時接通G、A極，在保持黑表筆不脫離A極狀態(tài)下斷開G極，指針指示幾十歐至一百歐，然后瞬時斷開A極再接通，若指針指示∞位置，則表明晶閘管良好．(4)按照電路圖，將各元件焊接、安裝好．(5)檢查各元件的連接，確保無誤．(6)接通電源，觀察強(qiáng)光照射光敏電阻時和用黑紙包裹光敏電阻時燈泡L的狀態(tài)．6．注意事項．(1)安裝前，對所有器材進(jìn)行測試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝．(2)注意二極管、晶閘管各極正確裝入電路，不可錯接、反接．例5為了建設(shè)安全校園，某校物理教師帶領(lǐng)興趣小組的學(xué)生，利用光敏電阻和電磁繼電器，為學(xué)校教學(xué)樓內(nèi)所有樓梯口的照明燈安裝了亮度自動控制裝置．如圖甲所示為他們設(shè)計的原理圖，R0為光敏電阻(阻值隨亮度的增加而減小)，R1為滑動變阻器，電磁繼電器的銜鐵由軟鐵(容易磁化和消磁)制成，R2為電磁鐵的線圈電阻，K為單刀雙擲開關(guān)．(1)為使樓內(nèi)亮度降低到一定程度照明燈自動點亮，亮度升高到一定程度照明燈自動熄滅，單刀雙擲開關(guān)應(yīng)置于________(選填“a”或“b”)．(2)為了提升校園安全系數(shù)，使照明燈在不太暗的時候就點亮，滑動變阻器接入電路的電阻應(yīng)________(選填“調(diào)大”或“調(diào)小”