物理人教版高中选修3-2传感器的简单应用 教学案

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学习参考资料 传感器的简单应用

1、知道什么是传感器，传感器的工作原理。

2、知道传感器中常见的三种敏感元件及其它们的工作原理。

3、了解电容式传感器的应用。

（一）、传感器及其工作原理

1、传感器：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

2、传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。

常见的传感器有：力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器

3、 常见传感器元件：

（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。

（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。它能用把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而升高或降低。

与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

（3）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。

拓展：分析下列传感器的工作原理：

４、霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个考纲解读基础突破word整理版

学习参考资料 电学量

如图，霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压UH。这个电压叫霍尔电压，其决定式为HIBUkd。式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关

推导：

二、传感器的应用实例

1、力传感器的应用-----电子秤

（1）电子秤理有应变片、电压放大器、模数转换器微处理器和数字显示器等器件.电阻应变片受到力的作用时 ,它的阻值会发生变化,把应变片放在合适的电路中,他能够把物体物体的形变这个力学量转换为电压这个电学量,因而电子秤是力传感器的应用.

（2）工作原理:如图所示,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，下表面应变片的电阻变小。F越大, 弯曲形变越大, 应变片的阻值变化就越大.如果让应变片中 通过的电流保持恒定,那末上面应变片两端的电压变大, 下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。

2、声传感器的应用----话筒

（1）话筒是一种常用的声传感器,其作用是把声信号转换成电信号.

话筒分为动圈式话筒，电容式话筒，驻极体话筒等几种.

（2）电容式话筒:原理:是绝缘支架,薄金属膜和固定电极形成一个电容器,被直流电源充电.当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流 ,于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压.

（3）驻极体话筒:它的特点是体积小,重量轻，价格便宜，灵敏度高.其工作原理同电容式话筒,只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜.

3、温度传感器的应用-----电熨斗

（1）在电熨斗中,装有双金属片温度传感器,其作用是控制电路的通断,当温度发生变化时, 双金属片的膨胀系数不同,从而能控制电路的通断

（2）电熨斗的自动控温原理:

常温下,上、下触点是接触的,但温度过高时,由于双金属片受热膨胀系数不同,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源,停止加热.温度降低后, 双金属片恢复原状,重新接通电源,从而保持温度不变.

4、温度传感器的应用——电饭锅

（1）电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。

（2）感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌、氧化铁粉末混合烧制而成的。 思路与方法HUEFMNIBword整理版

学习参考资料 5、温度传感器的应用——测温仪

（1）温度传感器可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来。

（2）测温仪中的测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等，还可以是红外线敏感元件等。

6、光传感器的应用——鼠标器、火灾报警器

（1）机械式鼠标器内的码盘两侧分别装有红外发射管和红外接受管，两个红外接受管就是两个光传感器。

（2）有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其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。

7、普通二极管和发光二极管

（1）二极管具有单向导电性。

（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓和磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能。该类发光二极管的正向导通电压大于1.8v.

8、晶体三极管

（1）晶体三极管能够把微弱的信号放大。晶体三极管的三极分别为发射极e.基极b和集电极c.

（2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对电极c的电流起了控制作用。

9、逻辑电路

（1）对于与门电路，只要一个输入端输入为“0”，则输出端一定是“０”；

反之，只有当所有输入都同时为“1”，输出才是“１”。

（2）对于或门电路，只要有一个输入“1”，则输出一定是“１”；

反之，只有当所有输入都同时为“0”时，输出才是“０”。

（3）非门电路中，当输入为“０”时，输出总是“1”；

当输入为“１”时，输出反而是“0”。非门电路也称为反相器。

（4）斯密特触发器是具有特殊功能的非门。

例1、如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt上擦一些酒精，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动。

例2、动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象,图甲所式是话筒原理,图乙所式是录音机的录音、放音原理图,由图可知：

① 话筒工作时录音磁铁不动,线圈振动而产生感应电流.

② 录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流

③ 录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

④ 录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场

其中正确的是：

A．②③④ B．①②③ C．①②④ D．①③④ 典型题基础题word整理版

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例3、电饭煲的工作原理如图所示，可分为两部分，即控制部分：由S1、S2、、R1和黄灯组成，工作（加热）部分；有发热电阻R3、、R2和红灯组成，S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点（103℃）时，自动断开，且不能自动复位，S2是一个双金属片自动开关，当温度达到70℃—80℃时，自动断开，低于70℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、、R2起＿＿＿作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70℃，所以S2是＿＿＿（填断开或闭合）。接通电源并按下S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到70℃—80℃时，S2断开，当温度达到103℃时饭熟，S1断开，，当温度降到70℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2＿＿＿＿R3（填﹤或﹦或﹥），若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象。

例4、如图所示甲为在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图，箱内电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40 kΩ，R1为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。当a、b端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab＞0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在＿＿＿℃。

甲

乙

甲

乙

例5、如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接受器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接受并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；小车的速度表达式为v＝＿＿＿＿＿＿；行程的表达式为S＝＿＿＿＿＿＿＿。

甲 乙 word整理版

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例6、如图所示的光控电路，用二极管LED模仿路灯，R G为光敏电阻，R 1的最大电阻为k51, R 2为k330，试分析其工作原理。

拓展：要使路灯在天更暗时才会亮，应该怎样调节R 1的阻值？并说明原理

解析：要使在天更暗时路灯才会亮，应该把Ｒ1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端Ａ电压达到某个值（如1.6v），就需要ＲG的阻值达到更大，即天色更暗。

例6、温度报警器电路如图所示，请说明其工作原理。

拓展：要使例题中的热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应怎样调节Ｒ1的阻值？并说明原理。

要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小Ｒ1的阻值，Ｒ1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。

1、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

2、如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（ ）

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、如图所示，R3是光敏电阻，当开关Ｓ闭合后在没有光照射

时，a、b两点等电势，当用光照射电阻R3时，则（ ）