傳感器的應(yīng)用一

1、【教學(xué)目標(biāo)】1知識(shí)與技能：（1）、了解傳感器應(yīng)用的一般模式；（2）、理解應(yīng)變式力傳感器的應(yīng)用電子秤的工作原理。（3）、理解聲傳感器的應(yīng)用話筒的工作原理。(4)、理解溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗的工作原理（5）、會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的有關(guān)傳感器應(yīng)用的控制電路。2過(guò)程與方法：通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合物理學(xué)的知識(shí)，探究電子秤、話筒、電熨斗等的工作原理，從而了解力傳感器、聲傳感器和溫度傳感器的一般應(yīng)用，進(jìn)一步總結(jié)出傳感器應(yīng)用的一般模式。3情感、態(tài)度與價(jià)值觀激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提高創(chuàng)新意識(shí)，提高物理理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合的綜合實(shí)踐能力?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】：各種傳感器的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)。

2、【教學(xué)方法】：PPT課件，演示實(shí)驗(yàn)，講授【教學(xué)用具】：小型電子秤，話筒，電熨斗、示波器?！窘虒W(xué)過(guò)程】一、引入新課師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了傳感器及其工作原理。傳感器是能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路通斷的一類元件。請(qǐng)大家回憶一下光敏電阻、熱敏電阻、霍爾元件各是把什么物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的元件？學(xué)生思考后回答：光敏電阻將光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。熱敏電阻將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。霍爾元件把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。這節(jié)課我們來(lái)學(xué)習(xí)傳感器的應(yīng)用二、進(jìn)行新課1、傳感器應(yīng)用的一般模式師：閱讀教材開(kāi)頭幾段

3、，然后合上書(shū)，在練習(xí)本上畫(huà)出傳感器應(yīng)用的一般模式示意圖。提示：一般情況下，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，要想觸發(fā)控制電路，此信號(hào)必須進(jìn)一步放大才可以，所以需要放大電路，即放大器。生：閱讀教材并在練習(xí)本上畫(huà)出傳感器應(yīng)用的一般模式示意圖。傳感器轉(zhuǎn)換或放大電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)儀表顯示微機(jī)系統(tǒng)師：下面學(xué)習(xí)幾個(gè)傳感器應(yīng)用的實(shí)例。2力傳感器的應(yīng)用電子秤師：閱讀教材61頁(yè)最后一段，思考并回答問(wèn)題。（1）電子秤使用的測(cè)力裝置是什么？它是由什么元件組成的？（2）簡(jiǎn)述力傳感器的工作原理。（3）應(yīng)變片能夠把什么力學(xué)量轉(zhuǎn)化為什么電學(xué)量？生：閱讀教材，思考并回答問(wèn)題。生1：電子秤的測(cè)力裝置是力傳感器，它是由一個(gè)金屬梁和兩個(gè)應(yīng)變片一

4、起組成了測(cè)力部分。生2：在金屬梁沒(méi)有力的情況下，金屬梁處于水平狀態(tài)，梁的上下應(yīng)變片的長(zhǎng)度沒(méi)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(huì)向下彎曲，使得金屬梁上面的應(yīng)變片被拉長(zhǎng)，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)變片兩端電壓值不相等，存在差值，控制電路就通過(guò)這個(gè)差值，經(jīng)過(guò)放大電路將差值信號(hào)放大，再在顯示器上顯示出數(shù)字，即力F的大小。生3：應(yīng)變片能夠?qū)⑿巫冞@個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。師：總結(jié)點(diǎn)評(píng)，結(jié)合板畫(huà)強(qiáng)調(diào)講解應(yīng)變片測(cè)力原理。3聲傳感器的應(yīng)用話筒師：閱讀教材62頁(yè)有關(guān)內(nèi)容，思考并回答問(wèn)題。（1）話筒的作用是什么

5、？（2）說(shuō)明動(dòng)圈式話筒的工作原理和工作過(guò)程。（3）說(shuō)明電容式話筒的工作原理和工作過(guò)程。這種話筒的優(yōu)點(diǎn)是什么？（4）駐極體話筒的工作原理是什么？有何優(yōu)點(diǎn)？生：閱讀教材，思考并回答問(wèn)題。生1：話筒的作用是把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。生2：動(dòng)圈式話筒的工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。膜片接收到聲波后引起振動(dòng)，連接在膜片上的線圈隨著一起振動(dòng)，線圈在永磁體的磁場(chǎng)里振動(dòng)從而產(chǎn)生感應(yīng)電流（電信號(hào)），感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化都由聲波決定，這個(gè)信號(hào)電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音。生3：電容式話筒的工作原理：利用電容器充放電形成的充放電電流。薄金屬膜M和固定電極N形成一個(gè)電容器，

6、被直流電源充電當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓優(yōu)點(diǎn)：保真度好。生4：駐極體話筒的原理同電容式話筒，只是其內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑料薄膜優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，價(jià)格便宜，靈敏度高，工作電壓低。師：指出：駐極體話筒利用了電介質(zhì)的極化現(xiàn)象：將電介質(zhì)放入電場(chǎng)中，在前后兩個(gè)表面上會(huì)分別出現(xiàn)正電荷與負(fù)電荷的現(xiàn)象某些電介質(zhì)在電場(chǎng)中被極化后，去掉外加電場(chǎng)，仍然會(huì)長(zhǎng)期保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為駐極體師：演示實(shí)驗(yàn)：按照如圖所示的連接駐極體話筒的工作電路，話筒的輸出端經(jīng)過(guò)隔直電容接到示波器。對(duì)著話筒喊話，觀察示波器的熒光屏上的波形，再用另外一人

7、同樣對(duì)話筒喊話，比較兩次聲音產(chǎn)生的波形有什么不一樣。上述過(guò)程，就是話筒將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程。生：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?，F(xiàn)象：不同的聲波信號(hào)，熒光屏上顯示的波形不同。說(shuō)明話筒產(chǎn)生的電信號(hào)是由接收到的聲波控制的。4溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗師：溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，它能把溫度的高低轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通常是利用物體的某一物理性質(zhì)隨溫度的變化而改變的特性制成的電熨斗就是靠溫度傳感器來(lái)控制溫度的。實(shí)驗(yàn)：取一個(gè)報(bào)廢的日光燈啟輝器，去掉外殼，敲碎氖泡的玻璃，可以看到一個(gè)U型的雙金屬片，雙金屬片的旁邊有一根直立的金屬絲，兩者構(gòu)成一對(duì)觸點(diǎn)，常溫下觸點(diǎn)是分離的，用火焰靠近金屬片，可以看到雙金屬片的形狀變化，

8、與金屬絲接觸，熄滅火焰，雙金屬片逐漸恢復(fù)原狀，兩個(gè)觸點(diǎn)分離。把這個(gè)啟動(dòng)器用到溫控開(kāi)關(guān)，可以控制小燈泡的亮和滅。生：做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。師：電熨斗就裝有雙金屬片溫度傳感器。這種傳感器的作用是控制電路的通斷。投影：電熨斗結(jié)構(gòu)圖（如圖所示）思考與討論：（1）常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的還是分離的？當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，雙金屬片將怎樣起作用？（2）熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設(shè)定不同的溫度，這是如何使用調(diào)溫旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的？參考答案：（1）常溫下，上、下觸點(diǎn)應(yīng)是接觸的，但溫度過(guò)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，則雙金屬片向下彎曲，使觸點(diǎn)分離，從而切斷電源，停止加熱溫度降低后，

9、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）熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設(shè)定不同的溫度，此時(shí)可通過(guò)調(diào)溫旋鈕調(diào)節(jié)升降螺絲，升降螺絲帶動(dòng)彈性鋼片升降，從而改變觸點(diǎn)接觸的難易，達(dá)到控制在不同溫度的目的拓展：溫度傳感器的另一應(yīng)用電冰箱的溫控裝置如圖所示是某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu)，銅質(zhì)的測(cè)溫泡1，細(xì)管2和彈性金屬膜盒3連成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷盒它的蒸汽，構(gòu)成一個(gè)溫度傳感器，膜盒3為扁圓形，右表面固定，左表面通過(guò)小柱體與彈簧片4連接，盒中氣體的壓強(qiáng)增大時(shí)，盒體就會(huì)膨脹，測(cè)溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中。5、6分別是電路的動(dòng)觸點(diǎn)盒靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)的工作，拉簧7

10、的兩端分別連接到彈簧片4盒連桿9上。連桿9的下端是裝在機(jī)箱上的軸。凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕控制的，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對(duì)彈簧7的拉力。自動(dòng)控溫原理：如圖所示是某種電冰箱內(nèi)溫度控制器的結(jié)構(gòu)，銅制的測(cè)溫泡1、細(xì)管2和彈性金屬膜盒3連通成密封的系統(tǒng)，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，構(gòu)成了一個(gè)溫度傳感器，膜盒為扁圓形，右表面固定，左表面通過(guò)小柱體與彈簧片4連接，盒中氣體的壓強(qiáng)增大時(shí)，盒體就會(huì)膨脹，測(cè)溫泡1安裝在冰箱的冷藏室中。5、6分別是電路的動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)，控制制冷壓縮機(jī)的工作，拉簧7的兩端分別連接到彈簧片和連桿9上，連桿9的下端裝在機(jī)箱上的軸，凸輪8是由設(shè)定溫度的旋鈕控制的，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

11、時(shí)凸輪連桿上端右移，從而加大對(duì)彈簧7的拉力。當(dāng)冷藏室里的溫度升高時(shí)，1、2、3中的氯甲烷受熱膨脹，彈性金屬膜盒3的左端膨脹，推動(dòng)彈簧片4向左轉(zhuǎn)動(dòng)，使5、6接觸，控制的壓縮機(jī)電路開(kāi)始工作制冷，當(dāng)溫度下降到一定程度，氯甲烷受冷收縮，5、6又分開(kāi)，制冷結(jié)束，直到下次溫度升高再重復(fù)上述過(guò)程。溫度設(shè)定原理：將凸輪8逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，凸輪將連桿9向右頂，使得彈簧7彈力增大，此時(shí)要將5、6觸點(diǎn)接通，所需要的力就要大些，溫度要高一些，即溫控?fù)鯌?yīng)低一些（例如1級(jí)），順時(shí)針旋轉(zhuǎn)凸輪8，控制的溫度低一些，控溫?fù)跻咭恍?。（三）典型例題例1.用如圖所示的裝置可以測(cè)量汽車(chē)在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度該裝置是在矩形箱子

12、的前、后壁上各安裝一個(gè)由力敏電阻組成的壓力傳感器用兩根相同的輕彈簧夾著一個(gè)質(zhì)量為2.0 kg的滑塊可無(wú)摩擦滑動(dòng)，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出現(xiàn)將裝置沿運(yùn)動(dòng)方向固定在汽車(chē)上，傳感器b在前，傳感器a在后汽車(chē)靜止時(shí)，傳感器a、b在的示數(shù)均為 10 N（取g=10 ms2）（1）若傳感器a的示數(shù)為 14 N、b的示數(shù)為6.0 N，求此時(shí)汽車(chē)的加速度大小和方向（2）當(dāng)汽車(chē)以怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器a的示數(shù)為零分析：傳感器上所顯示出的力的大小，即彈簧對(duì)傳感器的壓力，據(jù)牛頓第三定律知，此即為彈簧上的彈力大小，亦即該彈簧對(duì)滑塊的彈力大小解：（1）如圖所示，

13、依題意：左側(cè)彈簧對(duì)滑塊向右的推力 F1=14N，右側(cè)彈簧對(duì)滑塊的向左的推力 F2=6.0 N滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a1，根據(jù)牛頓第二定律有得4 m/s2a1與F1同方向，即向前（向右）（2）a傳感器的讀數(shù)恰為零，即左側(cè)彈簧的彈力，因兩彈簧相同，左彈簧伸長(zhǎng)多少，右彈簧就縮短多少，所以右彈簧的彈力變?yōu)镹?；瑝K所受合力產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律得，a2=10m/s2，方向向左例2、如圖5是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動(dòng)膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對(duì)著話筒說(shuō)話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電

14、容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中導(dǎo)致電容變化的原因可能是容器兩板間的（A）金屬板金屬膜振動(dòng)膜外電路圖5（A）距離變化 （B）正對(duì)面積變化（C）介質(zhì)變化 （D）電壓變化例3.如圖9所示是一種測(cè)量血壓的壓力傳感器在工作時(shí)的示意圖。薄金屬片P固定有4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4（如圖10所示），左邊是它的側(cè)面圖這四個(gè)電阻連接成電路如圖11所示，試回答下列問(wèn)題：（1）開(kāi)始時(shí)金屬片中央O點(diǎn)未加任何壓力，欲使電壓表無(wú)示數(shù)，則4個(gè)電阻應(yīng)滿足怎樣的關(guān)系？（2）當(dāng)O點(diǎn)加一個(gè)壓力F后發(fā)生形變，這時(shí)4個(gè)電阻也隨之發(fā)生形變，形變后各電阻大小如何變化？（3）電阻變化后，

15、電阻的A、B兩點(diǎn)哪點(diǎn)電壓高？它為什么能測(cè)量電壓？P圖9FOPR1R4R2R3O圖10VR1R2R3R4BA圖11(提示：當(dāng)O點(diǎn)加垂直于金屬片的壓力后，金屬片發(fā)生形變，由于電阻是固定在金屬片上的（由上圖），因此R1、R4被拉長(zhǎng)，R2、R3被拉寬。)解析：（1）本題是電路中A、B兩點(diǎn)間電壓與4個(gè)電阻的關(guān)系，由于電壓表的電阻可看作無(wú)窮大，因此本電路是R1、R2的串聯(lián)電路與R3、R4的串聯(lián)電路并聯(lián)，伏特表電路相當(dāng)于一根電橋，要使伏特表無(wú)讀數(shù)，即A、B兩點(diǎn)電勢(shì)相等則有：R1/R2= R3/R4或R1R4= R2R3。（2）當(dāng)O點(diǎn)加垂直于金屬片的壓力后，金屬片發(fā)生形變，由于電阻是固定在金屬片上的（由上圖）

16、，因此R1、R4被拉長(zhǎng)，R2、R3被拉寬，根據(jù)電阻定率，則R1、R4增大，R2、R3減小，顯然，這時(shí)A、B兩點(diǎn)電壓不再相等。（3）電阻增大，電壓降增大，電阻減小，電壓降減小，故在R1、R2的串聯(lián)電路上R1上的電壓降增大，R3、R4串聯(lián)電路上R3電壓降減小，所以A點(diǎn)電壓高于B點(diǎn)電壓。測(cè)量血壓時(shí)，血壓越高，壓力F越大，金屬片形變?cè)斤@著，電阻變化越大，因而電壓表示數(shù)越大，于是就能根據(jù)電壓表示數(shù)的大小來(lái)測(cè)量血壓的高低了。當(dāng)然在實(shí)際上由于金屬片形變較小，所以電阻變化也較小，A、B兩點(diǎn)間電壓還要經(jīng)過(guò)放大才能通過(guò)電表指示出來(lái)，有的還可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示出來(lái)。【課堂總結(jié)】本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題： 力傳感器的應(yīng)用電子秤 傳感器的應(yīng)用 聲傳感器的應(yīng)用話筒 溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗力傳感器是把力信號(hào)轉(zhuǎn)換成