高中物理第六章傳感器6.2傳感器的應用省公開課一等獎新名師獲獎

第2節(jié)傳感器應用第1頁微型傳感器微型傳感器是由亞微米至亞毫米范圍內(nèi)電子元件和機械元件制成，將傳感、處理、執(zhí)行諸功效融為一體微機電系統(tǒng)．微型傳感器尺寸小，集成化程度高，功效強大．它使人類獲取信息并進行對應控制工作可深入到微米量級空間中進行．如今，智能傳感器和微型傳感器已廣泛用于生活、生產(chǎn)、軍事、科研等各個領(lǐng)域．比如：人體消化道智能診查系統(tǒng)：它包含一粒微型探測膠囊和便攜式體外接收存放裝置、體外超聲控測定位裝置、體外數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)．患者服用一粒微型探測膠囊，該膠囊從上到下經(jīng)過整個消化道時，就會將各段消化道壓力、溫度、pH值等參數(shù)統(tǒng)計下來并傳輸給體外接收與處理系統(tǒng)．這種檢驗不會給患者造成創(chuàng)傷．第2頁螞蟻探測器：每只“螞蟻”探測器大小與大胡桃相當，質(zhì)量僅29g，通常帶有4個光傳感器、4個紅外接收器，以及防撞傳感器、防傾斜傳感器和探測“食物”存在傳感器．它可用于搜索炸彈．“蒼蠅”導彈：它體形如同蒼蠅般大小，能不停地飛行幾個小時，速度高達20km/h.它能垂直升降，急速調(diào)頭，懸停于空中，“隱身”潛伏，收發(fā)微波信息．當將超微型竊聽、竊看裝置粘在“蒼蠅”導彈背上后，就可進行偵察．傳感器使用，尤其是智能傳感器和微型傳感器開發(fā)、利用，使人類搜集信息能力得到極大擴展和延伸，獲取信息伎倆更方便、更加快捷，包括領(lǐng)域更遼闊、更深入．世界各國都非常重視傳感器在信息技術(shù)中作用，將傳感器技術(shù)列為重點發(fā)展尖端技術(shù)，我國從事傳感器研究單位就有幾千個．第3頁1．在力傳感器中應變片是一個敏感元件，多用半導體材料制成．應變片能夠把形變這個力學量轉(zhuǎn)換為________這個電學量．2．自動控溫電熨斗中裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器作用是________．3．電飯鍋中溫度傳感器主要元件是感溫鐵氧體，它特點是：________含有鐵磁性，能夠被磁體吸引，但________時，就失去了鐵磁性，不能被磁體吸引．這個溫度稱為該材料________或________．1．電壓2.控制電路通斷3.常溫下溫度上升到約103℃居里溫度居里點第4頁4．溫度傳感器能夠把溫度轉(zhuǎn)化為________，由指針式儀表或數(shù)字式儀表顯示出來．5．有一個火災報警器是利用煙霧對光散射來工作．煙霧進入罩內(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________．4.電信號5.減小第5頁第6頁一、傳感器應用普通模式傳感器在科技高度發(fā)達今天，應用極為廣泛，在生產(chǎn)和生活中離不開它；在科技領(lǐng)域也一樣十分主要．在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，傳感器廣泛應用于耕種、排灌、收割等方面自動控制，實現(xiàn)了最優(yōu)化管理；工業(yè)生產(chǎn)中，因為傳感器應用而實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化或半自動化；在航空航天領(lǐng)域傳感器應用尤為主要．如載人飛船應用大量傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用等．第7頁二、力傳感器應用——電子秤

1．應變式力傳感器

(1)組成：由金屬梁和應變片組成．

(2)工作原理：如圖所表示，彈簧鋼制成梁形元件右端固定，在梁上下表面各貼一個應變片，在梁自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片電阻變大，下表面電阻變?。瓼越大，彎曲形變越大，應變片阻值改變越大．假如讓應變片中經(jīng)過電流保持恒定，那么上面應變片兩端電壓變大，下面應變片兩端電壓變?。畟鞲衅靼堰@兩個電壓差值輸出．外力越大，輸出電壓差值也就越大．第8頁2．測定壓力電容式傳感器如圖所表示，當待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產(chǎn)生形變，從而引發(fā)電容改變，假如將電容器與靈敏電流表、電源串聯(lián)，組成閉合電路，當F向上壓膜片電極時，電容器電容將增大，電流表有示數(shù)．第9頁關(guān)于電子秤中應變式力傳感器說法正確是(

)A．應變片是由導體材料制成

B．當應變片表面拉伸時，其電阻變大；反之，變小

C．傳感器輸出是應變片上電壓

D．外力越大，輸出電壓差值也越大BD第10頁變式遷移

1.傳感器是一個采集信息主要器件．如圖所表示為測定壓力電容式傳感器，A為固定電極，B為可動電極，組成一個電容大小可變電容器．可動電極兩端固定，當待測壓力施加在可動電極上時，可動電極發(fā)生形變，從而改變了電容器電容．現(xiàn)將此電容式傳感器與零刻度在中央靈敏電流表和電源串聯(lián)成閉合電路，已知電流從電流表正接線柱流入時指針向右偏轉(zhuǎn)．當待測壓力增大時(

)A．電容器電容將減小

B．靈敏電流表指針在正中央零刻度處

C．靈敏電流表指針向左偏轉(zhuǎn)

D．靈敏電流表指針向右偏轉(zhuǎn)第11頁解析：壓力增大，則電容器兩極板間距變小，電容變大．因為電容器兩極板間電壓不變，所以電容器要充電，電流從正接線柱到負接線柱流過電流表，指針向右偏．答案：D第12頁三、溫度傳感器應用——電熨斗

1．溫度傳感器由半導體材料制成熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它能夠把熱信號轉(zhuǎn)換為電信號進行自動控制．

2．電熨斗結(jié)構(gòu)如圖所表示

3．電熨斗自動控溫原理其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖所表示．常溫下，上、下觸點應是接觸，但溫度過高時，因為雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不一樣，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，停頓加熱．溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱，這么循環(huán)進行，起到自動控制溫度作用．第13頁現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻器、開關(guān)和導線若干．以下列圖所表示，試設(shè)計一個溫控電路．要求溫度低于某一溫度時，電爐絲自動通電供熱，超出某一溫度時，又能夠自動斷電，畫出電路圖并說明工作過程．第14頁解析：熱敏電阻R1與滑動變阻器及電磁繼電器組成低壓控制電路．

(1)電路圖如下列圖所表示．

(2)工作過程：閉合開關(guān)S，當溫度低于設(shè)計值時熱敏電阻阻值大，通過電磁繼電器電流不能使它工作，K接通電爐絲加熱．當溫度到達設(shè)計值時，熱敏電阻阻值減小到某值，經(jīng)過電磁繼電器電流到達工作電流，K斷開，電爐絲斷電，停頓供熱．當溫度低于設(shè)計值，又重復前述過程．答案：看法析第15頁四、溫度傳感器應用——電飯鍋

1．感溫鐵氧體

(1)組成：氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結(jié)而成．

(2)特點：常溫下含有鐵磁性，能夠被磁體吸引，溫度到達約103℃，失去鐵磁性．

(3)居里點：又稱居里溫度，即指103℃.2．電飯鍋結(jié)構(gòu)如圖所表示．

3．電飯鍋工作原理開始煮飯時，用手壓下開關(guān)按鈕，永磁體與感溫磁體相吸，手松開后，按鈕不再恢復到圖示狀態(tài)，則觸點接通，電熱板通電加熱，飯熟后，水分被吸收，當溫度上升到居里溫度時，感溫磁體失去磁性，開關(guān)便會自動斷開．第16頁下列圖是電飯煲電路圖，S1是一個磁鋼限溫開關(guān)，手動閉合后，當此開關(guān)溫度到達居里點(103℃)時，會自動斷開，且不能自動閉合．S2是一個雙金屬片自動控溫開關(guān)，當溫度低于70℃時，會自動閉合；溫度高于80℃時，會自動斷開．紅燈是加熱指示燈，黃燈是保溫指示燈，分流電阻R1＝R2＝500Ω，加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計．

(1)分析電飯煲工作原理；

(2)計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗電功率之比；

(3)假如不閉合開關(guān)S1，能將飯煮熟嗎？第17頁解析：(1)電飯煲盛上食物后，接上電源，S2自動閉合，同時手動閉合S1，這時黃燈被短路不亮，紅燈亮，電飯煲處于加熱狀態(tài)．加熱到80℃時，S2自動斷開，S1仍閉合．水燒干后，溫度升高至103℃時，開關(guān)S1自動斷開，這時飯已煮熟，黃燈亮，電飯煲處于保溫狀態(tài)．因為散熱，待溫度降至70℃時，S2自動閉合，電飯煲重新加熱；溫度到達80℃時，S2又自動斷開，再次處于保溫狀態(tài)．第18頁(3)假如不閉合開關(guān)S1，開始S2總是閉合，R1被短路，功率為P1，當溫度上升到80℃時，S2自動斷開，功率降為P2，溫度降低到70℃，S2自動閉合……溫度只能在70～80℃之間改變，不能把水燒開，故不能煮熟飯．答案：看法析第19頁變式遷移

2．小強在用恒溫箱進行試驗時，發(fā)覺恒溫箱溫度連續(xù)升高，無法自動控制．經(jīng)檢驗，恒溫箱控制器沒有故障．參考右圖，以下對故障判斷正確是(

)A．只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障

B．只可能是溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障

C．熱敏電阻和溫度設(shè)定裝置都可能出現(xiàn)故障

D．可能是加熱器出現(xiàn)故障第20頁解析：由題意恒溫箱內(nèi)溫度連續(xù)升高，說明加熱器沒損壞，不能選D.無法自動控制，而經(jīng)檢驗控制器又沒有故障，說明控制器沒問題．熱敏電阻或溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障都能使溫度連續(xù)升高，在沒有確定條件下選C而不選A、B.答案：C第21頁五、光傳感器應用——火災報警器如圖所表示為利用煙霧對光散射來工作一個火災報警器結(jié)構(gòu)原理圖，其工作原理是：帶孔罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明擋板．平時，光電三極管收不到LED發(fā)出光，展現(xiàn)高電阻狀態(tài)．煙霧進入罩內(nèi)后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小，與傳感器連接電路檢測出這種改變，就會發(fā)出警報．第22頁如圖所表示，電源兩端電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，LED為發(fā)光二極管(電流越大，發(fā)出光越強)，且R與LED距離不變，以下說法正確是(

)A．當滑動觸頭P向左移動時，L消耗功率增大

B．當滑動觸頭P向左移動時，L消耗功率減小

C．當滑動觸頭P向右移動時，L消耗功率可能不變

D．不論怎樣移動觸頭P，L消耗功率都不變第23頁解析：電源電壓恒定，也就是說，并聯(lián)電路兩端電壓恒定，當滑動觸頭向左移動時，發(fā)光二極管發(fā)光變強，光敏電阻阻值變小，所以電流變大，則L功率變大．答案：A第24頁第25頁基礎(chǔ)鞏固1．關(guān)于傳感器，以下說法中正確是(

)A．電熨斗經(jīng)過壓力傳感器實現(xiàn)溫度自動控制B．動圈式話筒是利用電磁感應原理來工作聲傳感器C．金屬熱電阻是一個將電學量轉(zhuǎn)換為熱學量傳感器D．火災報警器都是利用溫度傳感器實現(xiàn)報警解析：電熨斗是經(jīng)過雙金屬片溫度傳感器來控制溫度，選項A錯誤；金屬熱電阻是將熱學量轉(zhuǎn)化為電學量傳感器，選項C錯誤；有火災報警器是利用光傳感器實現(xiàn)報警，選項D錯誤．答案：B第26頁能力提升

7．溫度傳感器廣泛應用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱等家用電器中，它是利用熱敏電阻阻值隨溫度改變特征來工作．如圖甲所表示，電源電動勢E＝9.0V，內(nèi)阻不計；G為靈敏電流表，內(nèi)阻RG保持不變；R為熱敏電阻，其電阻阻值與溫度改變關(guān)系如圖乙所表示．閉合開關(guān)S，當溫度等于20℃時，電流表示數(shù)I1＝2mA；當電流表示數(shù)I2＝3.6mA時，熱敏電阻溫度是(

)A．60℃B．80℃