物理学案（新教材粤教版）第十三章第4讲传感器实验利用传感器制作简单的自动控制装置

第4讲传感器实验：利用传感器制作简单的自动控制装置目标要求1.掌握制作传感器常用元件：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、电阻应变片、霍尔元件的基本特性及工作原理.2.探究传感器的工作原理及传感器应用的一般模式.3.能利用传感器制作简单的自动控制装置．考点一常见的传感器一、传感器及其工作原理1．概念：能感受被测量的信息，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置叫传感器．2．传感器的组成：传感器一般由______________、转换元件和________________三部分组成．(1)敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分．(2)转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成____________的部分．(3)信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分．3．传感器的分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息力传感器、磁传感器、声传感器等化学传感器利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号离子传感器、气体传感器等生物传感器利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等二、常见敏感元件1．光敏电阻(1)特点：光照越强，电阻________．(2)作用：把________________这个光学量转换为________这个电学量．2．热敏电阻和金属热电阻(1)热敏电阻a．正温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而________．b．负温度系数热敏电阻：阻值随温度的上升而________．c．临界温度系数热敏电阻：阻值在很小的温度范围内急剧________．如图甲所示为负温度系数热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线．(2)金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而________，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．(3)作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．1．传感器是把非电学量转换为电学量的元件．()2．传感器只能感受温度和光两个物理量．()3．随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大．()4．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它是把力信号转换为电压信号．()霍尔元件的应用霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的一种磁敏元件．一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等．(1)霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)．(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡．(3)霍尔电压：UH＝keq\f(IB,d)(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．例1(2022·重庆卷·11)某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系．实验电路如图所示，实验设定恒定电流为μA，主要实验器材有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻RT、可变电阻R1、电流表A、电压表V.(1)用加热器调节RT的温度后，为使电流表的示数仍为μA，须调节________________(选填一种给定的实验器材)．当RT两端未连接电压表时，电流表示数为μA；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将原电压表更换为内阻____________(选填“远大于”“接近”或“远小于”)RT阻值的电压表．(2)测得RT两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从℃变化到℃的过程中，RT的阻值随温度的平均变化率是________kΩ·℃－1(保留2位有效数字)．例2(2023·广东茂名市模拟)某小组研究光敏电阻阻值随光照强度的变化规律．实验已选用了规格和量程合适的器材．(1)用多用电表粗测光敏电阻在实验室正常光照条件下的阻值．选择×1k倍率的欧姆挡，将两表笔短接，调节________旋钮，使指针指在“0Ω”处．将两表笔与光敏电阻连接，测量的示数如图甲，则其电阻为________Ω.(2)按图乙连接好电路进行测量．(3)闭合开关S前，将电阻箱R调至________(选填“最大值“或“最小值”)．将一光源对准光敏电阻的透光窗口，利用手机软件测量光敏电阻所处位置的光照强度．闭合开关S，调节电阻箱R，使电压表(可视为理想电表)的指针偏转到某一位置．待示数稳定后记录此时的光照强度，电压表的示数U和R.断开开关S.已知电源电动势为E，内阻可以忽略不计，则此时光敏电阻阻值R1＝____________.(4)改变光敏电阻所处位置的光照强度，测量不同光照强度下的光敏电阻阻值，并据此绘出如图丙的关系图线，可以大致得到光敏电阻阻值随光照强度的变大而________．例3(多选)如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法正确的是(工作面是指较大的平面)()A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化考点二传感器的应用1．传感器的应用步骤物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件．我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：(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．分析传感器问题要注意三点(1)感受量分析：要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．(2)输出信号分析：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．3．传感器的应用实例(1)力传感器的应用——电子秤①构成：电子秤的测力装置是力传感器，常用的一种力传感器由一个金属梁和两个应变片组成．如图所示．②工作原理：在金属梁没有受力的情况下，金属梁处于水平状态，梁的上下应变片的长度不变且相等，两应变片的电阻大小也相等，当给金属梁施加竖直向下的力时，金属梁会向下弯曲，使得金属梁上面的应变片被拉长，电阻变大，两端电压也变大，而下边的应变片被挤压收缩，电阻变小，两端的电压也减小，使得两应变片的两端电压值不相等，存在差值，控制电路就通过这个差值，经过放大电路将差值信号放大，再在显示器上显示出数字，即力F的大小．③应用：力传感器常用于测量汽车载重(如图所示)，以及商店超市的电子秤．(2)温度传感器的应用①电熨斗a．温度传感器：由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把温度信号转换为电信号进行自动控制．b．电熨斗的自动控温原理：其内部装有双金属片温度传感器，如图所示：常温下，上下触点应是接触的，当温度过高时，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②电饭锅a．结构：如图所示，它的主要元件感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的．它的特点是：常温下具有磁性，能被磁体吸引，但是温度上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了．b．工作原理：电饭锅工作时，按下开关按钮，感温磁体与永磁体接触，两个接线螺钉通过触点相连，电路接通，开始工作，电饭锅内温度升高，当达到103℃时，感温磁体与永磁体分离，带动触点分离，电路断开，不再加热，电饭锅停止工作．(3)光传感器的应用——火灾报警器如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器，其工作原理是：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．例4(多选)如图是某电子秤的原理图，人只要站在踏板上，仪表G就能显示人的体重，踏板下面的传感器R实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻，显示体重的仪表G实质是理想电流表，如果不计踏板的质量，电阻R随人的体重G变化的函数关系式为R＝a－kG(a、k是常量，G和R的单位分别是N和Ω)，下列说法正确的是()A．传感器R是一个力电传感器B．闭合开关测量时，电路中的电流随人的体重均匀变化C．该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表G刻度盘的零刻度处D．如果要扩大电子秤的量程，滑动变阻器R′接入电路中的电阻应调大听课记录：______________________________________________________________________________________________________________________________________考点三实验：利用传感器制作简单的自动控制装置应用光敏电阻制作光控自动照明灯电路．1．实验目的．了解与传感器技术相关的物理知识，练习用传感器制作自动控制装置．2．实验器材．二极管VD、晶闸管VS、光敏电阻RG、定值电阻R(MΩ)、灯泡L、多用电表、导线．3．实验原理．由晶闸管VS与灯泡L构成主回路，控制回路由R与RG组成的分压器及二极管VD构成，如图所示．(1)当白天自然光线较强时，光敏电阻呈低电阻，此时，通过VD和R后的电流主要分流到RG支路，而流向门极G的电流变小，不足以触发导能VS，VS关断．(2)当夜幕降临时，照在RG上的自然光线减弱，RG呈高阻，流向门极G的电流增大，VS获得正向触发电压而导通，灯L亮．(3)改变R的阻值，即改变其与RG的分压比，可调整电路的起控点．4．二极管VD、晶闸管VS的特性．(1)二极管：具有单向导电性．当给二极管加正向电压时，它的阻值很小；当给二极管加反向电压时，它的电阻很大．(2)晶闸管VS：当晶闸管承受反向电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态．当晶闸管承受正向电压时，仅在门极承受正向电压情况下晶闸管才导通．5．实验步骤．(1)将多用电表旋钮拨至R“×1k”挡，调零后，测量电阻R的阻值，检查R是否符合要求．(2)将多用电表旋钮拨至R“×1k”挡，调零后，用两表笔分别接二极管两极，然后将两表笔位置对调．若两次测量结果一次较小，一次很大，则二极管性能良好．(3)将多用电表旋钮拨至R“×1k”挡，红表笔接晶闸管K极，黑表笔同时接通G、A极，在保持黑表笔不脱离A极状态下断开G极，指针指示几十欧至一百欧，然后瞬时断开A极再接通，若指针指示∞位置，则表明晶闸管良好．(4)按照电路图，将各元件焊接、安装好．(5)检查各元件的连接，确保无误．(6)接通电源，观察强光照射光敏电阻时和用黑纸包裹光敏电阻时灯泡L的状态．6．注意事项．(1)安装前，对所有器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装．(2)注意二极管、晶闸管各极正确装入电路，不可错接、反接．例5为了建设安全校园，某校物理教师带领兴趣小组的学生，利用光敏电阻和电磁继电器，为学校教学楼内所有楼梯口的照明灯安装了亮度自动控制装置．如图甲所示为他们设计的原理图，R0为光敏电阻(阻值随亮度的增加而减小)，R1为滑动变阻器，电磁继电器的衔铁由软铁(容易磁化和消磁)制成，R2为电磁铁的线圈电阻，K为单刀双掷开关．(1)为使楼内亮度降低到一定程度照明灯自动点亮，亮度升高到一定程度照明灯自动熄灭，单刀双掷开关应置于________(选填“a”或“b”)．(2)为了提升校园安全系数，使照明灯在不太暗的时候就点亮，滑动变阻器接入电路的电阻应________(选填“调大”或“调小”