学案/选修3-2第六章《传感器》

高二物理选修3-2第六章传感器  

1 传感器及其工作原理

【学习目标】

1．知道什么是传感器

2．了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理

3．会使用霍尔电压公式

【要点导学】

1、传感器一般由敏感元件和输出部分组成，敏感元件能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等_________量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等________量，或转换为_____________，输出部分把电学量输出后即可方便地进行测量、传输、处理和控制了．传感器被形象称为“电五官”．

2、干簧管结构是玻璃管内封入的两个＿＿＿＿＿＿＿制成的．干簧管在电路中起到＿＿＿的作用，它是一种能够感知＿＿＿＿的传感器．

3、光敏电阻就象人的眼睛，可以辨别光线的强弱，光敏电阻能够把__________这个光学量转换为________这个电学量，光线强的时候，电阻______．

4、可用电阻率随温度的升高而增大的金属丝制作温度传感器称为_________，可用导电能力随温度的升高而增强的半导体制作___________，它们都能把_______这个热学量转换为________这个电学量．热敏电阻在温度高时，电阻______．

5、由于载流子在磁场的作用下而偏转，从而在霍尔元件上下两表面间产生了霍尔电压_________，故霍尔元件能够把______________这个磁学量转换为_______这个电学量，磁感应强度越大，产生的霍尔电压越_______．

【范例精析】

例1、如图6-1-1所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R₁为光敏电阻，R₂为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是（       ）

图6-1-1

A．当有光照射R₁时，信号处理系统获得高电压

B．当有光照射R₁时，信号处理系统获得低电压

C．信号处理系统每获得一次低电压就记数一次

D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次

解析：1．光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻这个电学量；2．当有物体挡住射到光敏电阻R₁的光照时，R₁电阻增大，电路中电流减小，R₂两端电压降低，信号处理系统得到一次低电压，非门电路给计数器一个高电平信号，就计一个数，从而达到自动计数目的．如图6-1-2所示．

答案：AC

图6-1-2

例2、如图6-1-3所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？

图6-1-3

分析：当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即 qE＝qvB时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．

解：因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U，

 

 

【能力训练】

1．为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路的相接．当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为___________传感器，它输入的是___________信号，经传感器转换后，输出的是____________信号．

2．如图6-1-4所示，R₁为定值电阻，R₂为热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时

图6-1-4

A．R₁两端的电压增大

B．电流表的示数增大

C．小灯泡的亮度变强

D．小灯泡的亮度变弱

3．如图6-1-5所示，为一种测定角度的传感器，当彼此绝缘的金属板构成的动片与定片之间的角度θ发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种变化转化为电学量的．

 

图6-1-5

 

 

 

 

高二物理选修3-2第六章传感器  

2 传感器的应用

【学习目标】

1、了解传感器应用的一般模式；

2、理解电子秤、电熨斗、电饭锅、火灾报警器的工作原理．

3、会设计简单的有关传感器应用的控制电路．

【要点导学】

传感器应用的一般模式

传感器应用的实例

1、力传感器——电子秤

（1）应变式力传感器的构造：它是由＿＿＿＿和＿＿＿＿＿组成，应变片是一种敏感元件，多用＿＿＿＿＿制成．

（2）应变式力传感器的工作原理：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＿＿＿＿＿，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面＿＿＿＿＿＿＿，下表面＿＿＿＿＿，上表面应变片的电阻变＿＿＿＿＿，下表面的电阻变＿＿＿＿＿＿＿．F越大，弯曲形变越＿＿＿＿＿，应变片的阻值变化就越＿＿＿＿＿．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应变片两端的电压变＿＿＿＿＿，下面应变片两端的电压变＿＿＿＿＿．因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越＿＿＿＿＿＿．

（3）应变力传感器的作用：它能够把＿＿＿＿这个力学量转换成＿＿＿这个电学量．

2、温度传感器——电熨斗

（1）电熨斗的构造：它主要由调温旋钮、升降螺丝、绝缘支架、弹性铜片、触电、＿＿＿＿＿、电热丝、金属底板等几部分组成．

（2）电熨斗的工作原理：常温下上下触点是＿＿＿＿，设定温度时，通过调节＿＿＿＿＿使弹性铜片下降，与弹性铜片相连接的上触点与＿＿＿＿＿接通，这样电路接通，电热丝发热产生热量，温度升高，可以熨烫衣物．这时双金属片也由于受热而膨胀，但因双金属片上层金属的膨胀系数＿＿＿＿＿下层金属，使双金属片向＿＿＿＿＿弯曲，上下触点脱离，电路断开．由于电路断开，电热丝不再发热，温度降低，双金属片恢复初态，电路又接通加热．

（3）双金属片温度传感器的作用就是＿＿＿＿＿．

3、温度传感器——电饭锅

（1）电饭锅的内部结构：电饭锅主要由接线螺钉、触点、转轴、开关按钮、电热板、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、弹簧、内胆底等构成．其中＿＿＿＿＿＿为主要元件，它是用＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿混合烧结而成的．它的特点主要有：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是上升到＿＿＿＿＿＿时，就失去＿＿＿＿＿＿性，不能被磁体吸引了．该温度在物理学中称为该材料的“＿＿＿＿＿”或“＿＿＿＿”．

（2）感温铁氧体传感器的作用就是＿＿＿＿＿．

4、光传感器――火灾报警器

（1）烟雾散射火灾报警器的构造：带孔的罩子内装有＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿和不透明的档板．

（2）烟雾散射式火灾报警器的工作原理：平时，＿＿＿＿＿＿收不到LED发出的光，呈现＿＿＿＿＿＿状态．烟雾进入罩内后对光有＿＿＿＿＿＿作用，使部分光线照射到＿＿＿＿＿＿，其电阻变＿＿＿＿＿＿，与传感器连接的电路检测发出这种变化，就会发出警报．

【范例精析】

例1、图6-2-1是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜M前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板N，Q为绝缘支架.振动膜M上的金属层和金属板N构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的（   ）变化

图6-2-1

A、距离

B、正对面积

C、介质

D、电压

图6-2-2

*例2、在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC 元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温度t的变化关系如图6-2-2所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是（     ）

A．通电后，其电功率先增大，后减小  

B．通电后，其电功率先减小，后增大  

C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t₁不变  

D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t₁和t₂之间的某一值不变

分析：当电热灭蚊器温度由0升到t₁的过程中，电阻器的电阻率随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t=t₁时，P=P₁达到最大．当温度由t₁升高到t₂的过程中增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大；因此在这之间的某一温度t₃会有P=P₃= P′，即电热功率P减小到等于散热功率时，即达到保温；当t<t₃，P>P′，使温度自动升高到t₃；当t>t₃，P<P′，使温度自动降为t₃，实现自动保温，正确答案为AD．

点评：对给定图象的题目，要注意分析图象信息，把握变化规律，并结合所学物理规律进行分析讨论．

【能力训练】

1． 电子秤使用的是

A．超声波传感器

B．温度传感器  

C．压力传感器

D．红外线传感器    

2．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是：

A．应变片是由导体材料制成

B．当应变片的表面拉伸时,其电阻变大，反之变小

C．传感器输出的是应变片上的电压

D．外力越大，输出的电压差值也越大

3．下列器件不是应用温度传感器的是：

A．电熨斗

B．话筒

C．电饭锅

D．测温仪

4．.关于电饭锅的说法正确的是

A．电饭锅中的温度传感器其主要元件是氧化铁

B．铁氧体在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性

C．用电饭锅烧水,水开时能自动断电

D．用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位

5．下列器件是应用光传感器的是

A．计算机鼠标器

B．火灾报警器

C．测温仪

D．电子称

6．用摇控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转换成电信号的过程．下列属于这类传感器的是

A．红外报警装置

B．自动洗衣机中的压力传感装置

C．走廊照明灯的声控开关

D．电饭煲中控制加热和保温的温控器

 

 

 

高二物理选修3-2第六章传感器  

3  实验：传感器的应用

【学习目标】

1．了解光控开关电了路的工作原理

2．了解温度报警器电路的工作原理

3．通过实验，加深对传感器作用的体会，培养自己的动手能力

【要点导学】

1、在逻辑电路中，常把电势的高低叫做电平的高低． “输出低电平”的意思是，输出端处于_____电势的状态．

2、斯密特触发器是具有特殊功能功能的_____门，常用符号__________表示．

当加在斯密特触发器的输入端A的电压逐渐上升到某个值（1.6v）时，输出端Y会突然从_____电平跳到_____电平（0.25V），而当输入端A的电压下降到另一个值时侯（0.8V），输出Y从_____电平跳到_____电平（3.4V）．

斯密特触发器可以将连续-变化的_________信号转换为突变的_________信号．

3、实验1：光控开关

（1）A端的电平计算公式为U_A=____________________（用R₁、R_G表示）

设环境光亮度为某个值，调节R₁的阻值，使U_A<0.8V，此时Y端输出为高电平，发光二极管_________（填“发光”或“不发光”）．

当环境光亮度降低时，R_G的阻值变大，有上述计算公式可知U_A上升，当环境光亮度降低到一定值时，U_A≥1.6V时，输出点Y变为低电平，发光二极管_________（填“发光”或“不发光”）．

（2）要想在环境光亮度更暗（即R_G更大）时发光二极管才会点亮，应该把R₁调______（填“大”或“小”）一些．

4、实验2：温度报警器

（1）A端的电平计算公式为U_A=____________________（用R₁、R_T表示）

先调节R₁使U_A<0.8V,此时输出端Y处于3.4V的高点平，蜂鸣器两端的直流电压______V，蜂鸣器_______（填“发出”或“不发出”）报警声．

保持R₁不变，用热水使热敏电阻的温度上升，则R_T减小，由上述公式可知U_A增大，当温度上升到一定值时，U_A≥1.6V，此时输出端Y处于0.25V的低点平，蜂鸣器两端的直流电压______V，故蜂鸣器_______（填“发出”或“不发出”）报警声．

（2）要使蜂鸣器在感测到更高的温度时才报警，可以调节R₁使R₁节入电路的电阻更_______（填“大”或“小”）．

【范例精析】

例、如图6-3-1所示，现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程．

图6-3-1

答：如图6-3-2所示

 分析：热敏电阻R₁与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路．

工作过程：闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热．当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热．当温度低于设计值，又重复前述过程．

图6-3-2

点评：该电路可以用于恒温箱、自动孵化器等，电路设计是高中电学应了解的内容，对于培养能力、理论联系实际将起到推动作用．

【能力训练】

1．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

2．可以用型号为74LS14的非门集成电路，发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器，电路如图6-3-3所示．使用时，将检测器的输入端Ａ接到被测点．

请分析：当被测点为高电平时，LED是否发光？低电平时呢？说出道理．

图6-3-3

*3．（风力测定仪）如图6-3-4所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中P为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O是悬挂点，R₀是保护电阻，CD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在C点接触，此时电路中的电流为I，有风时细金属丝将偏转一角度θ（θ与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在C^/点接触，已知风力方向水平向左，OC=h，CD=L，球的质量为m，电阻丝单位长度的电阻为k，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转θ角时，电流表的示数为I^/，此时风力大小为F，试写出：

①风力大小F与θ的关系式；

②风力大小F与电流表示数I^/的关系式． 

③此装置所测定的最大风力是多少？

图6-3-4