學(xué)案大顯身手的傳感器

10/10大顯身手的傳感器【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．[科學(xué)探究]利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置，進(jìn)一步理解傳感器的工作原理。2．[科學(xué)思維]了解敏感元件在自動(dòng)控制電路中的作用。3．[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]了解生活中傳感器的簡單應(yīng)用及給人類生產(chǎn)、生活帶來的便利。【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】利用傳感器制作簡單的自動(dòng)控制裝置，進(jìn)一步理解傳感器的工作原理?！緦W(xué)習(xí)過程】自主預(yù)習(xí)探新知知識梳理閱讀本節(jié)教材，梳理必要知識點(diǎn)。一、簡單的自動(dòng)控制裝置1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）設(shè)計(jì)并制作光報(bào)警裝置。（2）設(shè)計(jì)并制作溫度報(bào)警裝置。（3）了解制作的報(bào)警裝置的工作原理。2．實(shí)驗(yàn)器材光敏電阻、熱敏電阻、溫度計(jì)、干電池、手電筒、蜂鳴器、開關(guān)、導(dǎo)線、變阻器。3．實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)（1）光報(bào)警裝置：如圖所示，利用光敏電阻作控制元件，從而通過光線來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，電阻R發(fā)生變化，電路中的電流變化，當(dāng)R的阻值變化到一定值時(shí)，蜂鳴器發(fā)生報(bào)警。（2）溫度報(bào)警裝置：如圖所示，利用熱敏電阻作控制元件，從而通過溫度來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，電阻RT發(fā)生變化，電路中的電流變化，當(dāng)RT的阻值變化到一定值時(shí)，蜂鳴器發(fā)生報(bào)警。4．實(shí)驗(yàn)步驟（1）光報(bào)警裝置實(shí)驗(yàn)步驟①按照電路圖將各元件組裝到集成電路實(shí)驗(yàn)板上。②檢查各元件的連接，確保無誤。③接通電源，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使蜂鳴器在普通光照條件下不報(bào)警。④用黑紙逐漸遮住光敏電阻，注意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。⑤逐漸撤掉黑紙，注意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。（2）溫度報(bào)警裝置①按照電路圖將各元件組裝到集成電路實(shí)驗(yàn)板上。②檢查各元件的連接，確保無誤。③接通電源，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使蜂鳴器常溫下不發(fā)聲。④用熱水使熱敏電阻的溫度升高，注意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。⑤將熱敏電阻從熱水中取出，注意蜂鳴器是否發(fā)聲，并做好記錄。二、大顯身手的傳感器1．自動(dòng)感應(yīng)門（1）控制自動(dòng)門的開關(guān)裝有一種紅外線傳感器（2）自動(dòng)門系統(tǒng)三環(huán)節(jié)：檢測門前是否有人，判斷結(jié)果發(fā)出指令，執(zhí)行指令2．洗衣機(jī)的水位控制裝置全自動(dòng)洗衣機(jī)的水位控制裝置中使用壓力傳感器，當(dāng)筒內(nèi)水位到達(dá)設(shè)定高度時(shí)，凸起的膜片使動(dòng)觸點(diǎn)接觸控制電路的靜觸點(diǎn)，使控制電路接通，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門，同時(shí)接通洗滌電動(dòng)機(jī)電源。3．指紋識別器指紋識別器是通過電容傳感器來識別指紋的。手指皮膚與電容傳感器表面構(gòu)成了電容陣列，指紋的脊和谷相對于另一極板的距離不同，使電容陣列中不同位置的電容器電容不同。4．機(jī)器人（1）機(jī)器人傳感器的分類：機(jī)器人傳感器分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器。（2）傳感器用途①外部傳感器用于感知外部工作環(huán)境和外界事物對機(jī)器人的刺激。使機(jī)器人擁有類似人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感覺。②內(nèi)部傳感器（如角度傳感器、關(guān)節(jié)傳感器等）用于檢測機(jī)器人自身的狀態(tài)。基礎(chǔ)自測思考判斷（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）機(jī)器人利用多種傳感器從而具有擬人化的特點(diǎn)。 （√）（5）自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)是利用敏感元件的特性設(shè)計(jì)的。 （√）合作探究攻重難考點(diǎn)1簡單的自動(dòng)控制裝置1．?dāng)?shù)據(jù)測量（1）光報(bào)警裝置中記錄滑動(dòng)變阻器滑片的位置，光敏電阻特性、光照強(qiáng)度與蜂鳴器報(bào)警的關(guān)系光敏電阻特性測量步驟：①將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動(dòng)變阻器按實(shí)驗(yàn)原理圖所示電路連接好，其中多用電表置于“×100”②先測出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)；③打開電源，讓小燈泡發(fā)光，調(diào)節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮，觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄；④用手掌（或黑紙）遮光時(shí)，觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性；⑤光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強(qiáng)光照射下電阻值很小；⑥實(shí)驗(yàn)中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變射到光敏電阻上的光的多少來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模唬?）溫度報(bào)警裝置中記錄滑動(dòng)變阻器滑片的位置，熱敏電阻特性、溫度與蜂鳴器報(bào)警的關(guān)系熱敏電阻特性測量步驟：①按實(shí)驗(yàn)原理圖連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理；②把多用電表置于歐姆擋，并選擇適當(dāng)?shù)牧砍虦y出燒杯中沒有水時(shí)熱敏電阻的阻值，并記下溫度計(jì)的示數(shù)；③向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值；④將熱水分幾次注入燒杯中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄；⑤在如圖坐標(biāo)系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線；⑥熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大；⑦實(shí)驗(yàn)時(shí)，加熱水后要等一會(huì)兒再測熱敏電阻阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時(shí)讀出水溫。2．注意事項(xiàng)（1）安裝前，對器材進(jìn)行測試，確保各元件性能良好后，再進(jìn)行安裝。（2）光報(bào)警裝置實(shí)驗(yàn)中，注意光敏電阻的特性選擇是否合適，否則繼電器不能正常工作。（3）光報(bào)警裝置實(shí)驗(yàn)中要想光更弱時(shí)蜂鳴器報(bào)警，應(yīng)該把滑動(dòng)變阻器的阻值調(diào)小些。（4）溫度報(bào)警器實(shí)驗(yàn)中，要使蜂鳴器在更低的溫度時(shí)報(bào)警，應(yīng)該把滑動(dòng)變阻器的阻值調(diào)小些。【例1】現(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)和導(dǎo)線若干，如圖所示，試設(shè)計(jì)一個(gè)溫控電路，要求溫度低于某一溫度時(shí)，電爐絲自動(dòng)通電供熱，超過某一溫度又可以自動(dòng)斷電，畫出電路圖并說明工作過程。[解析]熱敏電阻RT與滑動(dòng)變阻器及電磁繼電器構(gòu)成低壓控制電路。電路圖如圖所示當(dāng)溫度低于某一值時(shí)，熱敏電阻的阻值很大，流過電磁繼電器的電流很小，繼電器無法吸引銜鐵P，K處接通，電爐絲處于加熱狀態(tài)；當(dāng)溫度高于某一值時(shí)，熱敏電阻的阻值變得很小，通過電磁繼電器的電流較大，繼電器吸引銜鐵P，K處斷開，電爐絲停止加熱。[答案]見解析eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．一臺臭氧發(fā)生器P的電阻為10kΩ，當(dāng)供電電壓等于24V時(shí)能正常工作，否則不產(chǎn)生臭氧。現(xiàn)要用這種臭氧發(fā)生器制成自動(dòng)消毒裝置，要求它在有光照時(shí)能產(chǎn)生臭氧，在黑暗時(shí)不產(chǎn)生臭氧，擬用一個(gè)光敏電阻R1對它進(jìn)行控制，R1的阻值在有光照時(shí)為100Ω，黑暗時(shí)為1000Ω，允許通過的最大電流為3mA；電源E的電壓為36V，內(nèi)阻不計(jì)；另有一個(gè)滑動(dòng)變阻器R2，阻值為0～100Ω，允許通過的最大電流為0.4A；一個(gè)開關(guān)S和導(dǎo)線若干。臭氧發(fā)生器P和光敏電阻R1的符號如圖所示。設(shè)計(jì)一個(gè)滿足上述要求的電路圖，圖中各元件要標(biāo)上字母代號，其中滑動(dòng)變阻器兩固定接線柱端分別標(biāo)上字母A、B．（電路圖畫在虛線框內(nèi)）[解析]為了能控制臭氧發(fā)生器，應(yīng)該用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法，有光照時(shí)P能正常工作，無光照時(shí)P不工作。電路圖如圖所示：[答案]見解析圖考點(diǎn)2大顯身手的傳感器情境引入助學(xué)助教火災(zāi)探測器（如圖所示）的核心元件為氣敏傳感器，當(dāng)煙霧在空氣中的濃度超過設(shè)定值時(shí)，可以觸發(fā)報(bào)警，并對外發(fā)出聲光報(bào)警信號。此時(shí)傳感器是將什么量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的？提示：傳感器是將煙霧產(chǎn)生的光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電路的接通，從而對外發(fā)出聲光報(bào)警信號。1．洗衣機(jī)水位控制裝置——壓力傳感器工作原理圖及結(jié)構(gòu)：（1）結(jié)構(gòu)：1是洗衣機(jī)的外筒，2是洗衣機(jī)的內(nèi)筒，3是氣室，4是傳感器的膜盒。（2）工作原理：如圖（a）所示，氣室下部與外筒連通，上部與軟管、傳感器的膜盒連通。當(dāng)向桶內(nèi)注水后，有一部分水進(jìn)入氣室，氣室內(nèi)被密封的空氣壓強(qiáng)增大，使傳感器的膜盒中的膜片受力向上凸起，如圖（b）所示，當(dāng)筒中水位達(dá)到設(shè)定的高度時(shí)，凸起的膜片使動(dòng)觸點(diǎn)a與靜觸點(diǎn)b脫離，并與靜觸點(diǎn)c接觸，從而接通控制電路，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門，接通洗滌電動(dòng)機(jī)電源，洗衣機(jī)開始工作。2．自動(dòng)門——紅外線傳感器（1）工作原理當(dāng)有人接近自動(dòng)門時(shí)，人體發(fā)出的紅外線被傳感器接收到，就會(huì)產(chǎn)生電壓輸出信號，信號經(jīng)過電路處理后，使定時(shí)器工作，由定時(shí)器構(gòu)成的電路使繼電器通電，自動(dòng)門電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，門自動(dòng)打開；當(dāng)人通過自動(dòng)門幾秒后，定時(shí)器又使繼電器斷電，自動(dòng)門電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，門自動(dòng)關(guān)閉。（2）工作流程圖3．指紋識別器——電容傳感器工作原理：指紋識別器是通過電容器來識別指紋的。傳感器表面集合了很多個(gè)電容器的極板，其外面是絕緣表面，當(dāng)用戶的手指放在絕緣表面上時(shí)，手指的皮膚就成了電容器的另一個(gè)極板，由于指紋的脊和谷相對于另一個(gè)極板的距離不同，使電容陣列不同位置的電容器的電容值也不同。通過讀取這些電容的差異，就能夠獲取指紋信息。這樣就把指紋的信息轉(zhuǎn)化成了電信號，再經(jīng)過電路對電信號的比較，就可以實(shí)現(xiàn)對指紋的識別。4．機(jī)器人與傳感器（1）機(jī)器人①定義：是一種擬人化的電子機(jī)械裝置，具有一定的運(yùn)動(dòng)、感覺和判斷功能。②組成：機(jī)械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信息處理和控制系統(tǒng)。（2）傳感器系統(tǒng)①作用：機(jī)器人的感覺器官。②分類：外部傳感器和內(nèi)部傳感器?！纠?】當(dāng)你走近某些寫字樓、機(jī)場、賓館等大廳的入口時(shí)，大門會(huì)自動(dòng)打開，進(jìn)入大廳后，門又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，關(guān)于這種自動(dòng)門的下列說法中正確的是（）A．控制這種自動(dòng)門開關(guān)的是一種紅外線傳感器B．控制這種自動(dòng)門開關(guān)的是一種普通光電傳感器，能使自動(dòng)門“見光開”C．大人走近門會(huì)自動(dòng)打開，小孩走近門，門不會(huì)自動(dòng)打開D．男孩走近門會(huì)自動(dòng)打開，女孩走近門，門可能不會(huì)開A[控制自動(dòng)門開關(guān)的傳感器是紅外線傳感器，A對，B錯(cuò)；盡管不同物體（包括大人、孩子）不同溫度發(fā)出的紅外線波長不同，但在設(shè)置這個(gè)傳感器范圍時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮到大人、小孩個(gè)體的差異及人體體溫的變化范圍。大人、小孩、男孩、女孩靠近，門都會(huì)自動(dòng)打開，C、D錯(cuò)。]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．機(jī)器人通過哪種傳感器感知周圍環(huán)境，從而避開障礙物（）A．溫度傳感器 B．壓力傳感器C．味覺傳感器 D．視覺傳感器D[機(jī)器人通過“眼睛”（攝像機(jī)）即視覺傳感器感知周圍景物，從而避開障礙物。]課堂小結(jié)我的收獲1．科學(xué)探究：制作簡單的自動(dòng)控制裝置。2．科學(xué)思維：敏感元件在自動(dòng)控制電路中的應(yīng)用。3．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：傳感器在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。當(dāng)堂達(dá)標(biāo)固雙基1．街旁的路燈，江海里的航標(biāo)都要求在夜晚亮，白天熄，利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性制成了自動(dòng)點(diǎn)亮、熄滅的裝置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，這是利用半導(dǎo)體的（）A．壓敏性 B．光敏性C．熱敏性 D．三種特性都利用B[由題意可知，這一裝置要對光敏感，能區(qū)分白天與夜晚，所以選B．雖然白天與夜晚溫度也不相同，但溫度除與晝夜有關(guān)外還與季節(jié)有關(guān)，因此不能選C．]2．傳感器廣泛應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中，常用的計(jì)算機(jī)鍵盤就是一種傳感器。如圖所示，鍵盤上每一個(gè)鍵的下面都連一小金屬片，與該金屬片隔有一定空氣間隙的是另一小的固定金屬片，這兩金屬片組成一個(gè)小電容器。當(dāng)鍵被按下時(shí)，此小電容器的電容發(fā)生變化，與之相連的電子線路就能夠檢測出哪個(gè)鍵被按下，從而給出相應(yīng)的信號。這種計(jì)算機(jī)鍵盤使用的是（）A．溫度傳感器 B．壓力傳感器C．磁傳感器 D．光傳感器B[小金屬片被按下時(shí)，對該鍵有一個(gè)壓力，小金屬片向下移動(dòng)，兩個(gè)極板之間的距離改變，電容改變，將壓力這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容這個(gè)電學(xué)量，所以計(jì)算機(jī)鍵盤使用的是壓力傳感器，B正確，A、C、D錯(cuò)誤。]3．下列情況不可能是由于水位控制裝置損壞引起的是（）A．洗衣機(jī)不加水 B．洗衣機(jī)加水不能自動(dòng)停止C．洗衣機(jī)不排水 D．洗衣機(jī)不洗衣C[洗衣機(jī)水位控制裝置正常，才能正常加水，且加到合適的水位，若損壞可能導(dǎo)致一直不加水或一直不停地加水，所以A、B可能，而這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致洗衣機(jī)洗衣程序不工作，所以D可能，故選C．]4．某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈。P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線柱。電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動(dòng)控制的要求如圖所示。其工作方式是（）A．A與B接信號電壓，C與D跟被控電路串聯(lián)B．A與B接信號電壓，C與D跟被控電路并聯(lián)C．C與D接信號電壓，A與B跟被控電路串聯(lián)D．C與D接信號電壓，A與B跟被控電路并聯(lián)A[A、B接電磁繼電器線圈，所以A、B應(yīng)接信號電壓，線圈隨信號電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進(jìn)而起到控制作用，故正確答案為A．]5．傳感器是把非電學(xué)量（如速度、溫度、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的變化的一種元件，在自動(dòng)控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。有一種測量人的體重的電子秤，其測量部分的原理圖如圖中的虛線框所示，它主要由壓力傳感器R（電阻值會(huì)隨所受壓力大小發(fā)生變化的可變電阻）和顯示體重大小的儀表（實(shí)質(zhì)是理想電流表）組成。壓力傳感器表面能承受的最大壓強(qiáng)為1×107Pa，且已知壓力傳感器的電阻R與所受壓力的關(guān)系如表所示。設(shè)踏板和壓桿的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.8V，g取10m/s2．請作答：壓力F/N0250500750100012501500…電阻R/Ω300270240210180150120…（1）該秤零點(diǎn)（即踏板空載時(shí)）的刻度線應(yīng)標(biāo)在電流