傳感器的應(yīng)用第3節(jié)用傳感器制作自動(dòng)控制裝置學(xué)案

第二節(jié)傳感器的應(yīng)用第三節(jié)用傳感器制作自動(dòng)控制裝置[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任列舉傳感器在日常生活中的應(yīng)用；列舉傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用；了解傳感器在航空航天事業(yè)中的應(yīng)用?？茖W(xué)思維理解常用傳感器的工作原理，會分析常見傳感器問題?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任通過利用傳感器制作自動(dòng)控制裝置的過程，培養(yǎng)動(dòng)手能力和解決問題的能力。知識點(diǎn)一生活中的傳感器1．溫度傳感器的應(yīng)用電飯煲、電冰箱、微波爐、空調(diào)機(jī)、消毒碗柜等與溫度相關(guān)的家用電器。2．紅外線控制器的應(yīng)用自動(dòng)門、家電遙控器、生命探測儀、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報(bào)警器等。3．光敏傳感器的應(yīng)用：照相機(jī)中。4．壓力傳感器的應(yīng)用：電子秤中。知識點(diǎn)二傳感器在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航天中的應(yīng)用1．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳感器無人管理的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)利用了濕度傳感器；自動(dòng)化溫室種植中，溫室的自動(dòng)控溫就是在溫度傳感器的幫助下實(shí)現(xiàn)的；現(xiàn)代糧庫采用了溫度傳感器和濕度傳感器。2．工業(yè)生產(chǎn)中的傳感器平安生產(chǎn)中，如將一種埋入式光纖傳感器安置在大橋或水壩中，隨時(shí)可以監(jiān)控大橋和水壩的裂痕等平安隱患；在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床中的位移測量裝置就是利用高精度位移傳感器(如光柵傳感器)對位移測量，從而實(shí)現(xiàn)精密加工。3．航天航空中的傳感器飛機(jī)保持一定飛行高度，當(dāng)飛機(jī)高度變化時(shí)，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)發(fā)出與給定高度的差值信號，并通過自動(dòng)駕駛儀操縱升降舵，使飛機(jī)恢復(fù)給定高度；在運(yùn)載火箭、載人飛船中，應(yīng)用了傳感器供遙測和遙控系統(tǒng)使用；對宇航員的各種生理狀態(tài)的測量有生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等。1．思考判斷(正確的打“√〞，錯(cuò)誤的打“×〞)(1)洗衣機(jī)的自動(dòng)控制裝置利用了壓力傳感器。(√)(2)自動(dòng)門利用了紅外線傳感器。(√)(3)指紋識別器是利用壓力傳感器。(×)(4)無人管理的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，用到了溫度傳感器。(×)(5)位移測量裝置用到了位移傳感器。(√)2．電子秤使用的傳感器是()A．超聲波傳感器 B．溫度傳感器C．壓力傳感器 D．紅外線傳感器C[電子秤通過感知物體對它的壓力，將其轉(zhuǎn)換為電信號，并由儀表顯示，來測量物體質(zhì)量，所以它感知的是壓力，使用了壓力傳感器，故C選項(xiàng)正確。]3．類人型機(jī)器人裝有作為眼睛的“傳感器〞，猶如大腦的“控制器〞，以及可以行走的“執(zhí)行器〞，在它碰到障礙物前會自動(dòng)避讓并及時(shí)轉(zhuǎn)彎。以下有關(guān)該機(jī)器人“眼睛〞的說法中正確的選項(xiàng)是()A．是力傳感器 B．是光傳感器C．是溫度傳感器 D．是聲音傳感器B[遇到障礙物會繞開，說明它是光傳感器，B正確，A、C、D錯(cuò)誤。]考點(diǎn)1傳感器的應(yīng)用實(shí)例日光燈的啟動(dòng)器(結(jié)構(gòu)如下圖)也可看成是一個(gè)熱敏傳感裝置，它的熱敏功能器是雙金屬片，你能說出啟動(dòng)器的工作原理嗎？提示：日光燈啟動(dòng)器內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。開關(guān)閉合后，啟動(dòng)器兩極之間有電壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱量使U形動(dòng)觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸片觸點(diǎn)，電路接通；溫度降低時(shí)，U形動(dòng)觸片向里收縮，離開觸點(diǎn)，電路斷開。1．力傳感器的應(yīng)用——電子秤(1)構(gòu)成：電子秤的測力裝置是力傳感器，常用的一種力傳感器由一個(gè)金屬梁和兩個(gè)應(yīng)變片組成。如下圖。(2)工作原理：在金屬梁沒有受力的情況下，金屬梁處于水平狀態(tài)，梁的上下應(yīng)變片的長度沒變且相等，兩應(yīng)變片的電阻大小也相等，當(dāng)給金屬梁施加豎直向下的力時(shí)，金屬梁會向下彎曲，使得金屬梁上面的應(yīng)變片被拉長，電阻變大，兩端電壓也變大，而下邊的應(yīng)變片被擠壓收縮，電阻變小，兩端的電壓也減小，使得兩應(yīng)變片的兩端電壓值不相等，存在差值，控制電路就通過這個(gè)差值，經(jīng)過放大電路將差值信號放大，再在顯示器上顯示出數(shù)字，即力F的大小。(3)應(yīng)用：力傳感器常用于測量汽車載重，以及商店超市的電子秤。(如下圖)2．溫度傳感器的應(yīng)用(1)電熨斗①溫度傳感器：由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行自動(dòng)控制。②電熨斗的自動(dòng)控溫原理：其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如下圖：常溫下，上下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的，但溫度過高時(shí)，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，那么雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)別離，從而切斷電源停止加熱，溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進(jìn)行，起到自動(dòng)控制溫度的作用。(2)電飯鍋①結(jié)構(gòu)：如下圖，它的主要元件感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結(jié)而成的。它的特點(diǎn)是：常溫下具有磁性，能被磁體吸引，但是溫度上升到約103℃時(shí)，就失去了磁性，不能被磁體吸引了②工作原理：電飯鍋工作時(shí)，按下開關(guān)按鈕，感溫磁體與永磁體接觸，兩個(gè)接線螺釘通過觸點(diǎn)相連，電路接通，開始工作，電飯鍋內(nèi)溫度升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)103℃時(shí)，感溫磁體與永磁體別離，帶動(dòng)觸點(diǎn)別離，電路斷開，不再加熱，電飯鍋停止工作3．光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)警器如下圖為利用煙霧對光的散射來工作的一種火災(zāi)報(bào)警器，其工作原理是：帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板。平時(shí)，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對光有散射作用，使局部光線照射到光電三極管上，其電阻變小。與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報(bào)?！镜淅?】如圖甲所示為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動(dòng)恒溫箱原理簡圖，箱內(nèi)的電阻R1＝20kΩ、R2＝10kΩ、R3＝40kΩ，RT為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示，a、b端電壓Uab≤0時(shí)，電壓鑒別器會令開關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度升高；當(dāng)a、b端電壓Uab>0時(shí)，電壓鑒別器會令開關(guān)S斷開，停止加熱，甲乙A．10℃B．20℃C．30C[由題可知Uab＝0是一個(gè)電壓的臨界點(diǎn)，對應(yīng)著開關(guān)S的動(dòng)作，而開關(guān)的動(dòng)作對應(yīng)著溫度的上升或下降。由電路圖可知，在R1、R2、R3給定的條件下，熱敏電阻RT的阻值決定了Uab的正負(fù)。設(shè)電源負(fù)極的電勢為零，那么φa＝eq\f(R2,R1＋R2)U，φb＝eq\f(RT,R3＋RT)U，其中U為電源的路端電壓，令φa＝φb，即Uab＝0，那么可得eq\f(R2,R1)＝eq\f(RT,R3)，代入數(shù)據(jù)得RT＝20kΩ，查表得對應(yīng)的溫度為30℃，C正確。]此題利用熱敏電阻為傳感器，將溫度變化的信號轉(zhuǎn)化為電信號，結(jié)合電子線路來控制加熱電路。正確的電路分析、計(jì)算及理解熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的曲線，是解決本類習(xí)題的關(guān)鍵。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．(多項(xiàng)選擇)電熨斗已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，特別是服裝店更離不開它，現(xiàn)在的電熨斗具有自動(dòng)控制溫度功能，可以通過雙金屬片來控制電路的通斷。如下圖為電熨斗的結(jié)構(gòu)示意圖，關(guān)于電熨斗的控制電路，以下說法正確的選項(xiàng)是()A．常溫下，電熨斗的上下觸點(diǎn)應(yīng)該是別離的B．圖中雙金屬片上層金屬片的膨脹系數(shù)大于下層金屬片的膨脹系數(shù)C．熨燙棉麻衣物時(shí)，應(yīng)旋轉(zhuǎn)調(diào)溫旋鈕，使升降螺釘上升D．熨燙絲綢衣物時(shí)，應(yīng)旋轉(zhuǎn)調(diào)溫旋鈕，使升降螺釘上升BD[常溫下，上下觸點(diǎn)接觸，溫度過高時(shí)，雙金屬片發(fā)生彎曲使上下觸點(diǎn)分開，起到調(diào)溫作用，A錯(cuò)誤；當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片向膨脹系數(shù)小的金屬片所在處發(fā)生彎曲，觸點(diǎn)斷開，故雙金屬片上層金屬片的膨脹系數(shù)大于下層金屬片的膨脹系數(shù)，B正確；熨燙棉麻衣物時(shí)，需要較高溫度，要調(diào)節(jié)調(diào)溫旋鈕，使升降螺釘下移，C錯(cuò)誤；熨燙絲綢衣物時(shí)，應(yīng)旋轉(zhuǎn)調(diào)溫旋鈕，使升降螺釘上升，D正確。]2．(多項(xiàng)選擇)如圖是某電子秤的原理圖，人只要站在踏板上，儀表G就能顯示人的體重，踏板下面的傳感器R實(shí)質(zhì)是一個(gè)阻值可隨壓力大小而變化的電阻，顯示體重的儀表G實(shí)質(zhì)是理想電流表，如果不計(jì)踏板的質(zhì)量，電阻R隨人的體重G變化的函數(shù)關(guān)系式為R＝a－kG(a、k是常量，G和R的單位分別是N和Ω)，以下說法正確的選項(xiàng)是()A．傳感器R是一個(gè)力電傳感器B．閉合電路測量時(shí)，電路中的電流隨人的體重均勻變化C．該秤零刻度線(即踏板空載時(shí)的刻度線)應(yīng)標(biāo)在電流表G刻度盤的零刻度處D．如果要擴(kuò)大電子秤的量程，滑動(dòng)變阻器R′接入電路中的電阻應(yīng)調(diào)大AD[根據(jù)閉合電路歐姆定律列式得到電流的表達(dá)式和量程的表達(dá)式進(jìn)行討論即可。R是將壓力信號換成電信號的傳感器，即力電傳感器，故A正確；閉合電路測量時(shí)，電路中的電流為：I＝eq\f(E,a－kG＋r＋R′)，顯然與人的體重不成線性關(guān)系，故B錯(cuò)誤；當(dāng)重力為零時(shí)，電流最小，但不為零，故C錯(cuò)誤；由Ig＝eq\f(E,a－kGm＋r＋R′)可知，kGm＝a＋r＋R′－eq\f(E,Ig)，因此變阻器接入電路中的電阻調(diào)大，可以測量的人的最大體重增大，故D正確。]考點(diǎn)2自動(dòng)控制電路的實(shí)例分析如下圖，水箱水位自動(dòng)報(bào)警器是如何工作的？提示：正常生產(chǎn)時(shí)，水位較高。繼電器中的線圈有電流通過，銜鐵1被向下吸引，與觸頭2接觸，B燈亮。水位下降到一定高度后，繼電器中線圈沒有電流通過了，那么銜鐵1與觸頭3接觸，A燈亮。應(yīng)用光敏電阻制作光控自動(dòng)照明燈電路1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馀c傳感器技術(shù)相關(guān)的物理知識，練習(xí)用傳感器制作自動(dòng)控制裝置。2．實(shí)驗(yàn)器材二極管VD、晶閘管VS、光敏電阻RG、定值電阻R(7.5MΩ)、燈泡L、多用電表、導(dǎo)線。3．實(shí)驗(yàn)原理由晶閘管VS與電燈L構(gòu)成主回路，控制回路由R與RG組成的分壓器及二極管VD構(gòu)成，如下圖。(1)當(dāng)白天自然光線較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻呈低電阻，與R分壓后使晶閘管VS的門電極處于低電平，VS關(guān)斷。(2)當(dāng)夜幕降臨時(shí)，照在RG上的自然光線減弱，RG呈高阻，使VS的門電極處于高電平，VS獲得正向觸發(fā)電壓而導(dǎo)通，燈L亮。(3)改變R的阻值，即改變其與RG的分壓比，可調(diào)整電路的起控點(diǎn)。4．二極管VD、晶閘管VS的特性(1)二極管：具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給二極管加正向電壓時(shí)，它的阻值很?。划?dāng)給二極管加反向電壓時(shí)，它的電阻很大。(2)晶閘管VS：當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓情況下晶閘管才導(dǎo)通。5．實(shí)驗(yàn)步驟(1)將多用電表旋鈕撥至R“×1k〞擋，調(diào)零后，測量電阻R的阻值，檢查R是否符合要求。(2)將多用電表旋鈕撥至R“×1k〞擋，調(diào)零后，用兩表筆分別接二極管兩極，然后將兩表筆位置對調(diào)。假設(shè)兩次測量結(jié)果一次較小，一次很大，那么二極管性能良好。(3)將多用電表旋鈕撥至R“×1k〞擋，紅表筆接晶閘管K極，黑表筆同時(shí)接通G、A極，在保持黑表筆不脫離A極狀態(tài)下斷開G極，指針指示幾十歐至一百歐，然后瞬時(shí)斷開A極再接通，假設(shè)指針指示∞位置，那么說明晶閘管良好。(4)按照電路圖，將各元件焊接、安裝好。(5)檢查各元件的連接，確保無誤。(6)接通電源，觀察強(qiáng)光照射光敏電阻時(shí)和用黑紙包裹光敏電阻時(shí)燈泡L的狀態(tài)。6．考前須知(1)安裝前，對所有器材進(jìn)行測試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝。(2)焊接時(shí)，管腳必須在離管殼5mm以上處焊接，焊接時(shí)間不易過長。(3)注意二極管、晶閘管各極正確裝入電路，不可錯(cuò)接、反接?！镜淅?】光敏電阻在各種自動(dòng)化裝置中有很多應(yīng)用，其中有可用于路燈自動(dòng)控制的開關(guān)。如下圖為實(shí)驗(yàn)所用器材，其中A為光敏電阻，B為電磁繼電器，C為電流放大器，D為路燈，請連成電路，到達(dá)日出路燈熄、日落路燈亮的效果，并說明此電路的工作原理。[思路點(diǎn)撥]這類自動(dòng)控制裝置的根本流程：外界因素→敏感元件→電流信號→放大電路→電磁繼電器→受控電路。[解析]電路如下圖。工作原理：白天，光照強(qiáng)，光敏電阻A阻值小，控制電路中電流大，電磁鐵磁力強(qiáng)，將銜鐵吸合，兩觸點(diǎn)別離，路燈電路不通，燈不亮；黃昏，日落后光照弱，光敏電阻A阻值大，控制電路中電流小，電磁鐵磁力弱，銜鐵向上移使兩觸點(diǎn)接觸，路燈電路接通，燈亮。[答案]見解析設(shè)計(jì)自動(dòng)控制電路時(shí)，一般按照以下的思路進(jìn)行：(1)根據(jù)題目給出的儀器和要求畫出控制電路和工作電路：控制電路由電源、開關(guān)、光敏電阻(或熱敏電阻等其他敏感元件)、電磁繼電器和導(dǎo)線等組成；工作電路由電源、用電器(燈泡、電熱絲或其他用電器)、導(dǎo)線等組成。這兩個(gè)電路相互獨(dú)立，又通過繼電器相關(guān)聯(lián)，繼電器實(shí)際上是工作電路的開關(guān)。(2)分析自控電路的合理性：電路設(shè)計(jì)完成后，要對它的合理性進(jìn)行分析，用光照射光敏電阻或給熱敏電阻加熱，檢查工作電路的接通和斷開是否符合實(shí)際要求。比方，自控路燈電路的設(shè)計(jì)要求是白天切斷工作電路，使路燈熄滅，晚上接通工作電路，使路燈點(diǎn)亮發(fā)光。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．如下圖為自動(dòng)水位報(bào)警器的示意圖，在水位低于B時(shí)，電磁鐵所在的控制電路局部斷路，________燈亮；當(dāng)水位升高到B時(shí)，電磁鐵所在的控制電路局部接通，________燈亮。[解析]控制電路斷開時(shí)，繼電器彈片在彈簧作用下彈起，接通綠燈所在回路，綠燈亮，控制電路接通時(shí)，繼電器彈片在通電螺線管磁性作用下被吸下，接通紅燈所在回路，紅燈亮。[答案]綠紅1．有一種在光照或溫度升高時(shí)排氣扇都能啟動(dòng)的自動(dòng)控制裝置，以下說法正確的選項(xiàng)是()A．兩個(gè)傳感器都是光電傳感器B．兩個(gè)傳感器分別是光電傳感器和溫度傳感器C．兩個(gè)傳感器可能分別是溫度傳感器、電容式傳感器D．只有光照和溫度都適合時(shí)排氣扇才能工作B[題中提到有光照或溫度升高時(shí)排氣扇都能自動(dòng)控制，由此可見兩個(gè)傳感器一個(gè)是光電傳感器，一個(gè)是溫度傳感器，而且排氣扇自開工作只需光照和溫度一個(gè)滿足條件即可，A、C、D錯(cuò)誤，B正確。]2．洗衣機(jī)中的水位控制裝置使用的是()A．光傳感器 B．壓力傳感器C．濕度傳感器 D．溫度傳感器B[當(dāng)洗衣機(jī)內(nèi)水位升高時(shí)，傳感器的膜片受到的壓力變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門。]3．如下圖是一個(gè)測定液面高度的傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放在導(dǎo)電液中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液構(gòu)成電容器的兩極。把這兩極接入外電路，當(dāng)外電路中的電流變化顯示電容值增大時(shí)，那么導(dǎo)電液的深度h變化為()A．h增大 B．h減小C．h不變 D．無法確定A[由題意知，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液構(gòu)成電容器的兩極，類似于平行板電容器的兩極。當(dāng)液面高度發(fā)生變化時(shí)相當(dāng)于兩極正對面積發(fā)生變化，會引起電容的變化。與平行板電容器類比可得，導(dǎo)電液體深度h增大時(shí)，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液正對面積增大，電容器的電容值變大。]4．某儀器內(nèi)部電路如下圖，其中M是一個(gè)質(zhì)量較大的金屬塊，左、右兩端分別與金屬絲制作的彈簧相連，并套在光滑水平細(xì)桿上，a、b、c三塊金屬片的間隙很小(b固定在金屬塊上)。當(dāng)金屬塊處于平衡時(shí)兩根彈簧均處于原長狀態(tài)。假設(shè)將該儀器固定在一輛汽車上，那么以下說法正確的選項(xiàng)是()A．當(dāng)汽車加速前進(jìn)時(shí)，甲燈亮B．當(dāng)汽車加速前進(jìn)時(shí)，乙燈亮C．當(dāng)汽車剎車時(shí)，乙燈亮D．當(dāng)汽車剎車時(shí)