【物理】6.2 传感器的应用 课件1(人教版选修3-2)

滚轴 滚球
红外接收管
滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管 2、工作原理：当鼠标在左面上滚动时，滚球的运 动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收 到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号。 计算机分别统计X、y两个方向的脉冲信号，处理 后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
应用二、火灾报警器
1、结构图
3、应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电 学量
练习1.关于电子秤中应变式力传感器的说法 正 确的是 （ A B D ） A.应变片是由多用半导体材料制成 B.当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之， 变小 C.烘箱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
例1:(1)惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个 系统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理 的示意图如图示，沿导弹长度方向安装的固定光滑杆 上套一个质量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数 均为k的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。滑 块原来静止，弹簧处于自然长度。滑块上有指针，可 通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制 导。设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏 离O点的距离为S，则这段时间内导弹的加速度 （ D） 10 10 0 A. 方向向左，大小为 k S/m B．方向向右，大小为 k S/m P C．方向向左，大小为 2k S/m U D. 方向向右，大小为 2k S/m
②待测物体质量超出转换器量程。
－ －
R S
V
声传感器的应用——话筒
阅读教材并思考
（1）话筒的作用是什么？
声音信号转化为电信号
（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。
膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一 起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流 （电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频 率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后 传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
温度设定原理
将凸轮8逆时针旋转，凸轮将连杆9向右顶，使 得弹簧7弹力增大，此时要将5、6触点接通， 所需要的力就要大些，温度要高一些，即温控 挡应低一些（例如1级），顺时针旋转凸轮8， 控制的温度低一些，控温挡要高一些。
本节课主要学习了以下几个问题：
1、力传感器的应用——电子秤传感器的应用
2、声传感器的应用——话筒
（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设 定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现 的？
熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度， 此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动 弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控 制在不同温度的目的．
温度传感器的另一应用——电冰箱的温控装置
如图所示是某种电冰箱内温度 控制器的结构，铜质的测温泡1， 细管2和弹性金属膜盒3连成密 封的系统，里面充有氯甲烷盒 它的蒸汽，构成一个温度传感 器，膜盒3为扁圆形，右表面固 定，左表面通过小柱体与弹簧片 4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1 安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点盒静触 点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧 片4盒连杆9上。连杆9的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是 由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右 移，从而加大对弹簧7的拉力。
(2)若电位器（可变电阻）总长度为L，其电阻均匀， 两端接在稳压电源U0上，当导弹以加速度a沿水平方向 运动时，与滑块连接的滑动片P产生位移，此时可输 出一个电信号U，作为导弹惯性制导系统的信息源， 为控制导弹运动状态输入信息，试写出U与a 的函数关 系式。 10 10 0 解：a=2kS/m ∴ S=ma/2k U=U0 Rx / R = U0 S / L =maU0 / 2kL
（2）测温仪
（1）鼠标器
（2）火灾报警器
温度传感器的应用
【例1】如图甲为在温度为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=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt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_________℃． 35
执行机构 传感器 转换或放大电路 仪表显示
微机系统
力电传感器的应用——电子秤
（1）电子秤使用的测力装置是什么？ 它是由什么元件组成的？
（2）简述力传感器的工作原理。
（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？
1、电子秤的测力装置是力传感器，它是由一个金属梁和两 个应变片一起组成了测力部分。
2、在金属梁没有力的情况下，金属梁处于水平状态，梁 的上下应变片的长度没变且相等，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。
R 2.7kΩ C 10μF E 6v
y输入 地
驻 极 体 话 筒
温度传感器的应用——电熨斗
温控开关：
氖泡
取一个报废的日光灯启 辉器，去掉外壳，敲碎 U形动触片 静触片 氖泡的玻璃，可以看到 一个U型的双金属片， 双金属片的旁边有一根 直立的金属丝，两者构 成一对触点，常温下触 点是分离的，用火焰靠 图1 近金属片，可以看到双 金属片的形状变化，与金属丝接触，熄灭火焰，双金属片 逐渐恢复原状，两个触点分离。 把这个启动器用到温控开关，可以控制小灯泡的亮和灭。
如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100℃ 不变，温度低于“居里点103℃”，电饭锅不能 自动断电。只有水烧干后，温度升高到103℃才 能自动断电。
温度传感器的应用-------测温仪
阅读教材，思考并回答下列问题： （1）温度传感器测温仪有何优点？ 可以远距离读取温度的数值．因为温度 信号变成电信号后可以远距离传输． （2）常见的测温元件有哪些？ 热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外 线敏感元件等．
P U
=mU0 a / 2kL∝a
U0
例2：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器 ，
该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k） 如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出 电压为0；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量 成正比的输出电压U。 现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动 变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电 转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量m。 （1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电 压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。 （2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的 质量m。 （3）请设想实验中可能会出现的一个问题。 受压面
电冰箱温控装置的工作原理是什么？
自动控温原理
如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜制的测温 泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充 有氯甲烷和它的蒸汽，构成了一个温度传感器，膜盒为 扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接， 盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在 冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点和静触点， 控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片 和连杆9上，连杆9的下端装在机箱上的轴，凸轮8是由设 定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移， 从而加大对弹簧7的拉力。当冷藏室里的温度升高时，1、 2、3中的氯甲烷受热膨胀，弹性金属膜盒3的左端膨胀， 推动弹簧片4向左转动，使5、6接触，控制的压缩机电路 开始工作制冷，当温度下降到一定程度，氯甲烷受冷收 缩，5、6又分开，制冷结束，直到下次温度升高再重复 上述过程。
输入 ＋ 力电转换器 － 输出 ＋ －
解析： （1）设计的电路图如图所示，输入电压采用 分压接法目的是让电压可调范围尽可能大。 （2）测量步骤： ①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。 ②将质量为m0的砝码放在转换器上，记下输出电压U0。
③将待测物体放在链轮转换器上，记下输出电压U1， 由U0=km0g得k=U0/m0g，测得U1=kmg，所以 m=m0U1/U0。 （3）可能出现的问题 受压器 ①因电源电压不够而输出电压 输入 输出 ＋ ＋ 调不到零。 力电转换器
（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。 这种话筒的优点是什么？
振动膜 金 属 板 金属膜 外电路
利用电容器充放电形成的充放电电流。薄金属膜M和 固定电极N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．优点：保真度好。
3、温度传感器的应用——电熨斗
力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器 是把声音信号转换为电信号，而温度传感器往往是 用来进行自动控制．
第二节 传感器的应用（二）
温度传感器的应用-------电饭锅
1、感温铁氧体的特点：常温下具有 铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度 上升到约103℃时，就失去了铁磁性， 不能被磁体吸引了。注意：这个温度 在物理学中称为 该材料的“居里温度” 或“居里点”。 思考：取一块电饭锅用的感温铁氧体，使它与一小块的 永磁体吸在一起，用功率较大的电烙铁给铁氧体加热， 经来自百度文库一段时间后会发生什么现象？ 现象：当用电烙铁给铁氧体加热时，经过一段时间，铁 氧体就会失去磁性。
水沸腾后，锅内大致保持100℃不变。
（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变 化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？ 饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升 至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧 作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而 停止加热．
（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自 动断电？
2、工作原理：在没有发生火灾时，光电三极管收不到LED发出 的光，呈现高电阻状态。当发生火灾时，产生大量烟雾，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。
小 结
1、温度传感器 的应用 2、光传感器 的应用
（1）电饭锅
热电偶：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成 一个闭合回路，当导体A和B的两个焊接点1和2之间存在温差时， 两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种 现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
光传感器的应用
应用一、鼠标器
1、机械鼠标器的主要构造图
码盘
发光二极管
（4）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？
驻极体话筒的原理同电容式话筒，只是其内部感受声 波的是驻极体塑料薄膜．优点：体积小，重量轻，价 格便宜，灵敏度高，工作电压低。
演示实验：
按照如图所示的连接驻极体话筒的工作电路， 话筒的输出端经过隔直电容接到示波器。对着 话筒喊话，观察示波器的荧光屏上的波形，再 用另外一人同样对话筒喊话，比较两次声音产 生的波形有什么不一样。
思考与讨论：
（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离 的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？ 常温下，上、下触点应是接触的，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，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制 温度的作用．
人教版选修3-2
第六章 传感器
第二节 传感器的应用
复习问题
请大家回忆一下光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件 各是把什么物理量转化为电学量的元件？ 光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。热敏 电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这 个电学量。
传感器应用的一般模式：
2、电饭锅的原理
内胆底 感温铁氧体 电热板 转轴
手 动 开 关
接 线 螺 丝
永磁铁
触点
思考与讨论：
（1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个 按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？
开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体 相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。 （2）煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度？ 为什么？