2019-2020学年高中物理 第六章 传感器 第2节 传感器的应用课件 新人教版选修3-2

第六章传感器第2节传感器的应用学习目标1．了解传感器应用的一般模式．2．了解传感器在日常生活和生产中的应用．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．填一填、做一做、记一记课前自主导学|基础知识·填一填|一、传感器工作的一般模式二、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1组成，敏感元件是2．(2)工作原理(3)作用：应变片将物体形变这个力学量转换为5这个电学量．应变片电压应变片2．温度传感器的应用实例应用实例敏感元件工作原理电熨斗双金属片温度变化时，双金属片上层金属与下层金属的6不同，双金属片发生弯曲从而控制电路的通断电饭锅感温铁氧体铁氧体在温度达到“居里温度”103℃时，7，使触点开关断开膨胀系数失去磁性3.光传感器的应用——火灾报警器(1)组成及敏感元件：由带孔的罩子、8、9和不透明的挡板组成，敏感元件为10．(2)工作原理发光二极管LED光电三极管光电三极管|基础小题·做一做|1．正误判断(1)传感器可以直接用来进行自动控制．()(2)传感器可以用来采集信息．()(3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量．()(4)鼠标是力传感器．()(5)电吉他是光电传感器．()(6)火灾报警器是温度传感器．()×××××√2．下列有关传感器的说法中错误的是()A．地震时用的生命探测仪利用了生物传感器B．嫦娥三号月球登陆器搭载的立体相机获取月球数据利用了光传感器C．电子秤称量物体质量是利用了力传感器D．火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了温度传感器解析：选D生命探测仪是利用生物传感器；立体相机是利用光传感器；电子秤是利用压力传感器；火灾报警器是在烟雾浓度达到一定程度时能够输出电信号，使警铃发声或使红灯闪烁，自动报警，利用了烟雾传感器而不是利用了温度传感器，故A、B、C对，D错．3．类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯．下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是()A．是力传感器B．是光传感器C．是温度传感器D．是声音传感器解析：选B遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B对，A、C、D错．4．电子秤、电熨斗、电饭锅、火灾报警器这四种传感器的具体应用中，哪些传感器既是敏感元件又是执行机构？提示：电饭锅中的感温铁氧体既是温度敏感元件，又是切断电饭锅加热电路的执行机构．电熨斗中的双金属片既是温度敏感元件，又是电熨斗电路通断的执行机构．|核心知识·记一记|1．应变式力传感器可用来测量各种力，其中的应变片能把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．2．电熨斗因为装有双金属片温度传感器，所以它能够自动控制温度．双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属．3．电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体．4．有一种火灾报警器是利用了光传感器的作用，即利用烟雾对光的散射来工作．析要点、研典例、重应用课堂互动探究★要点一传感器问题的分析|要点梳理|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点问题(1)检测量分析：要明确传感器所检测的量，如力、热、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：传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转换的过程，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以力传感器为例：传感器感受力的信息(如大小、方向是否变化等)后转换为电压、电流、电阻等电学量，然后经过放大，传输到执行机构进行某种操作(如借助继电器控制电路通断，借助仪表进行显示等)．②以光传感器为例：光传感器感受光的信息(如光的强弱、颜色等)，通过敏感元件(如光敏电阻、光电池等)将光的信息转换为电阻、电流等电学量，然后经过放大，传输到执行机构后执行某种操作．|例题展示|【例1】传感器在日常生活中的应用越来越广泛，温度传感器(实质是自动开关)是其中的一种．某一食品消毒柜就是利用温度传感器来自动控制电路的．常温下，该温度传感器是闭合的；当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，从而切断整个电路．下列关于该消毒柜的几种电路图中(图中S为电源开关)，连接正确的是()[解析]选项B、C、D的电路中，温度升高到某一设定值时，传感器会断开，但整个电路不会断开．选项A的电路中，电源开关S闭合后，消毒柜开始工作，当温度达到某一设定值时，传感器自动断开，整个电路也断开，所以选项A正确．[答案]A【例2】用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动时的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个压力传感器A和B.用两根相同的轻弹簧夹着一个质量m＝2.0kg的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器A、B上，其压力的大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．当弹簧作用在传感器上的力为压力时，示数为正；当弹簧作用在传感器上的力为拉力时，示数为负．现将装置沿运动方向固定在汽车上．汽车静止时，A、B的示数均为10N．(g取10m/s2)(1)若传感器A的示数为14.0N，B的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向；(2)当汽车以什么样的加速度运动时，传感器A的示数为零？[解析](1)根据题意可知，左侧弹簧对滑块向右的推力F1＝14.0N，右侧弹簧对滑块向左的推力F2＝6.0N，滑块所受合力产生加速度a1，根据牛顿第二定律有F1－F2＝ma1，得a1＝F1－F2m＝14.0－6.02.0m/s2＝4m/s2，方向向右，即A指向B，如图所示．(2)A传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F1′＝0.因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F2′＝20N．规定汽车运动的方向为正，由牛顿第二定律得F＝F2′＝ma2，得a2＝F2′m＝－10m/s2，负号表示方向向后(向左)．[答案](1)4m/s2方向向右即A指向B(2)10m/s2，方向向左即B指向A[方法技巧]在分析动态变化电路时要注意以下三点：(1)明确该传感器所采用的核心部分是什么．(2)当检测一非电学量变化时，传感器中与之对应的电阻如何变化．(3)在电路中的显示部分与传感器中对应的电阻是串联还是并联，或者是其他的连接方式．|对点训练|1.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，下列说法正确的是()A．电梯一定加速上升B．电梯一定减速下降C．电梯加速度一定向上D．电梯加速度一定向下解析：选C电压表示数增大说明人对地板的压力变大，对人受力分析知地板对人的支持力大于人所受重力，即人的加速度一定向上，所以电梯可能向上加速，也可能向下减速．2.酒精测试仪用于机动车驾驶人员是否酗酒及其他严禁酒后作业人员的现场检测．它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度的变化而变化．在如图所示的电路中，不同的酒精气体浓度对应着传感器的不同电阻．这样，电压表的指针就与酒精气体浓度有了对应关系．如果二氧化锡半导体型酒精气体传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度成正比，那么，电压表示数U与酒精气体浓度C之间的对应关系正确的是()A．U越大，表示C越大，C与U成正比B．U越大，表示C越大，但是C与U不成正比C．U越大，表示C越小，C与U成正比D．U越大，表示C越小，但是C与U不成反比解析：选B传感器电阻r′的倒数与浓度C成正比关系，即1r′＝kC，电路中的电流为I＝Er′＋R＋R0＋r，电压表示数U＝IR0＝ER0r′＋R＋R0＋r＝kER0kR＋R0＋r＋1C，可见电压与浓度的关系不是正比关系，但随浓度的增加而增加，故B正确．3．如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．当油箱中油量减少时，电压表的示数将如何变化？解析：由题图可知，当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R′两端电压的变化．当油量减少时，R的数值会增大，电路中的电流会减小，c、d间的电压会减小．答案：减小★要点二传感器的应用实例|要点梳理|1．生活中的传感器(1)与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器．(2)红外传感器：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．(3)照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器等．2．农业生产中的传感器(1)湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水．(2)温度传感器和湿度传感器：可对上百个点进行温度和湿度监测．由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象．3．工业生产中的传感器(1)生产的自动化和半自动化．用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作．各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等．(2)在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移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航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用．这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用．在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等．|例题展示|【例3】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闭合，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab0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℃[解析]由题可知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．由电路图可知，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＝R2R1＋R2U，φb＝RTR3＋RTU，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得R2R1＝RTR3，代入数据得RT＝20kΩ，查表得对应的温度为35℃，故C正确．[答案]C【例4】车床在工作时是不允许将手随便接近飞转的工件的，为了防止万一，设计了下面的光电自动控制安全电路，只要人手不小心靠近了工件，机器就自动停转．图中的A为车床上的电动机；B为随电动机高速转动的工件；C为光源，它发出的光照在光敏电阻D上；E为电磁铁；F为衔铁；G为电源；H为弹簧．请简述其工作原理：当手在C、D间靠近工件时，遮挡住射向光敏电阻的光，光敏电阻的阻值________，电路中的电流________，使电磁铁磁性________从而放开衔铁，造成电动机断路，使工件停转以保证安全．[解析]当手在C、D间靠近工件时，遮挡住光线，光敏电阻阻值增大，电路中的电流减小，使电磁铁的磁性减弱，从而放开衔铁，使电路自动断开．[答案]增大减小减弱[规律方法]传感器应用问题的分析方法(1)首先要分清哪是主电路部分，哪是控制电路部分．(2)联系主电路和控制电路的关键点就是传感器中的敏感元件．敏感元件感知主电路所处的状态，作出相应的反应，促使控制电路工作，保证主电路能工作在相应的设定状态之下．|对点训练|1．(多选)如图是电饭锅的结构图，如果感温磁体的“居里温度”为103℃时