高中物理第三节 用传感器制作自动控制装置学案

这是一份高中物理第三节 用传感器制作自动控制装置学案，共10页。

第二节　传感器的应用
第三节　用传感器制作自动控制装置

1．列举传感器在日常生活中的应用；了解传感器在工、农业生产中的应用，知道航天航空中的传感器。
2．理解常用传感器的工作原理和过程。
3．通过利用传感器制作自动控制装置的过程，培养动手能力和解决问题的能力。


知识点一　生活中的传感器
1．温度传感器的应用
电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等与温度相关的家用电器。
2．红外线控制器的应用
自动门、家电遥控器、生命探测仪、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。
3．光敏传感器的应用：照相机等。
4．压力传感器的应用：电子秤等。
知识点二　传感器在工、农业生产和航天航空中的应用
1．农业生产中的传感器
无人管理的自动灌溉系统利用了湿度传感器；自动化温室种植中，温室的自动控温就是在温度传感器的帮助下实现的；现代粮库采用了温度传感器和湿度传感器。
2．工业生产中的传感器
安全生产中，如将一种埋入式光纤传感器安置在大桥或水坝中，随时可以监控大桥和水坝的裂痕等安全隐患；在自动控制系统中，如数控机床中的位移测量装置就是利用高精度位移传感器(如光栅传感器)对位移测量，从而实现精密加工。
3．航天航空中的传感器
飞机保持一定飞行高度，当飞机高度变化时，大气数据计算机自动发出与给定高度的差值信号，并通过自动驾驶仪操纵升降舵，使飞机恢复给定高度；在运载火箭、载人飞船中，应用了传感器供遥测和遥控系统使用；对宇航员的各种生理指标的测量有生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。

1．思考判断(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。 (√)
(2)自动门利用了红外线传感器。 (√)
(3)指纹识别器是利用压力传感器。 (×)
(4)无人管理的自动灌溉系统，用到了温度传感器。 (×)
(5)位移测量装置用到了位移传感器。 (√)
2．电子秤使用的传感器是(　　)
A．超声波传感器 B．温度传感器
C．压力传感器 D．红外线传感器
C　[电子秤通过感知物体对它的压力，将其转换为电信号，并由仪表显示，来测量物体质量，所以它感知的是压力，使用了压力传感器，故C选项正确。]
3．类人型机器人装有作为眼睛的“传感器”，犹如大脑的“控制器”，以及可以行走的“执行器”，在它碰到障碍物前会自动避让并及时转弯。下列有关该机器人“眼睛”的说法中正确的是(　　)
A．是力传感器 B．是光传感器
C．是温度传感器 D．是声音传感器
B　[遇到障碍物会绕开，说明它是光传感器，B正确，A、C、D错误。]


(1)日光灯的启动器(结构如图所示)也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？

提示：日光灯启动器内有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使U形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片触点，电路接通；温度降低时，U形动触片向里收缩，离开触点，电路断开。
(2)如图所示，水箱水位自动报警器是如何工作的？

提示：正常生产时，水位较高。继电器中的线圈有电流通过，衔铁1被向下吸引，与触头2接触，B灯亮。水位下降到一定高度后，继电器中线圈没有电流通过了，则衔铁1与触头3接触，A灯亮。
考点1　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)电子秤工作原理：
→→→
(3)应用：力传感器常用于测量汽车载重，以及商店超市的电子秤。(如图所示)

2．温度传感器的应用
(1)电熨斗
①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。
②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，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。
(2)电饭锅
①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。

②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。
【典例1】　如图甲所示为在温度为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，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，使箱内温度升高；当a、b端电压Uab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在(　　)

甲　　　　　　　　　　　　乙
A．10 ℃　　B．20 ℃　　C．30 ℃　　D．45 ℃
C　[由题可知Uab＝0是一个电压的临界点，对应着开关S的动作，而开关的动作对应着温度的上升或下降。由电路图可知，在R1、R2、R3给定的条件下，热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负。设电源负极的电势为零，则φa＝U，φb＝U，其中U为电源的路端电压，令φa＝φb，即Uab＝0，则可得＝，代入数据得RT＝20 kΩ，查表得对应的温度为30 ℃，C正确。]

本题利用热敏电阻为传感器，将温度变化的信号转化为电信号，结合电子线路来控制加热电路。正确的电路分析、计算及理解热敏电阻的电阻值随温度变化的曲线，是解决本类习题的关键。

[跟进训练]
1．(多选)电熨斗已经走进千家万户，特别是服装店更离不开它，现在的电熨斗具有自动控制温度的功能，可以通过双金属片来控制电路的通断。如图所示为电熨斗的结构示意图，关于电熨斗的控制电路，下列说法正确的是(　　)

A．常温下，电熨斗的上下触点应该是分离的
B．图中双金属片上层金属片的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数
C．熨烫棉麻衣物时，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升
D．熨烫丝绸衣物时，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升
BD　[常温下，上下触点接触，温度过高时，双金属片发生弯曲使上下触点分开，起到调温作用，A错误；当温度升高时，双金属片向膨胀系数小的金属片所在处发生弯曲，触点断开，故双金属片上层金属片的膨胀系数大于下层金属片的膨胀系数，B正确；熨烫棉麻衣物时，需要较高温度，要调节调温旋钮，使升降螺钉下移，C错误；熨烫丝绸衣物时，应旋转调温旋钮，使升降螺钉上升，D正确。]
2．(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．闭合电路测量时，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
AD　[根据闭合电路欧姆定律列式得到电流的表达式和量程的表达式进行讨论即可。R是将压力信号换成电信号的传感器，即力电传感器，故A正确；闭合电路测量时，电路中的电流为：I＝，显然与人的体重不成线性关系，故B错误；当重力为零时，电流最小，但不为零，故C错误；由Ig＝可知，kGm＝a＋r＋R′－，因此变阻器接入电路中的电阻调大，可以测量的人的最大体重增大，故D正确。]
考点2　自动控制电路的实例分析
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(7.5 MΩ)、灯泡L、多用电表、导线。
3．实验原理
由晶闸管VS与电灯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，与R分压后使晶闸管VS的门电极处于低电平，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，使VS的门电极处于高电平，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“×1 k”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“×1 k”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“×1 k”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)焊接时，管脚必须在离管壳5 mm以上处焊接，焊接时间不宜过长。
(3)注意二极管、晶闸管各极正确装入电路，不可错接、反接。
【典例2】　光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用，其中有可用于路灯自动控制的开关。如图所示为实验所用器材，其中A为光敏电阻，B为电磁继电器，C为电流放大器，D为路灯，请连成电路，达到日出路灯熄、日落路灯亮的效果，并说明此电路的工作原理。

[思路点拨]　这类自动控制装置的基本流程：外界因素→敏感元件→电流信号→放大电路→电磁继电器→受控电路。
[解析]　电路如图所示。

工作原理：白天，光照强，光敏电阻A阻值小，控制电路中电流大，电磁铁磁力强，将衔铁吸合，两触点分离，路灯电路不通，灯不亮；傍晚，日落后光照弱，光敏电阻A阻值大，控制电路中电流小，电磁铁磁力弱，衔铁向上移使两触点接触，路灯电路接通，灯亮。
[答案]　见解析

设计自动控制电路时，一般按照以下的思路进行：
(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路：控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成；工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立，又通过继电器相关联，继电器实际上是工作电路的开关。
(2)分析自控电路的合理性：电路设计完成后，要对它的合理性进行分析，用光照射光敏电阻或给热敏电阻加热，检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。比如，自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路，使路灯熄灭，晚上接通工作电路，使路灯点亮发光。

[跟进训练]
3．如图所示为自动水位报警器的示意图，在水位低于B时，电磁铁所在的控制电路部分断路，________灯亮；当水位升高到B时，电磁铁所在的控制电路部分接通，________灯亮。

[解析]　控制电路断开时，继电器弹片在弹簧作用下弹起，接通绿灯所在回路，绿灯亮，控制电路接通时，继电器弹片在通电螺线管磁性作用下被吸下，接通红灯所在回路，红灯亮。
[答案]　绿　红

1．有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，下列说法正确的是　(　　)
A．两个传感器都是光电传感器
B．两个传感器分别是光电传感器和温度传感器
C．两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器
D．只有光照和温度都适合时排气扇才能工作
B　[题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动控制，由此可见两个传感器一个是光电传感器，一个是温度传感器，而且排气扇自动工作只需光照和温度一个满足条件即可，A、C、D错误，B正确。]
2．洗衣机中的水位控制装置使用的是(　　)
A．光传感器　　 B．压力传感器
C．湿度传感器 D．温度传感器
B　[当洗衣机内水位升高时，传感器的膜片受到的压力变大，当达到设定值时，关闭进水电磁阀门。]
3．如图所示是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液中，导线芯和导电液构成电容器的两极。把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化显示电容值增大时，则导电液的深度h变化为(　　)

A．h增大 B．h减小 C．h不变 D．无法确定
A　[由题意知，导线芯和导电液构成电容器的两极，类似于平行板电容器的两极。当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化，会引起电容的变化。与平行板电容器类比可得，导电液体深度h增大时，导线芯和导电液正对面积增大，电容器的电容值变大。]
4．某仪器内部电路如图所示，其中M是一个质量较大的金属块，左、右两端分别与金属丝制作的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属片的间隙很小(b固定在金属块上)。当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态。若将该仪器固定在一辆汽车上，则下列说法正确的是(　　)

A．当汽车加速前进时，甲灯亮
B．当汽车加速前进时，乙灯亮
C．当汽车刹车时，乙灯亮
D．当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮
B　[向右加速时，M向左移动，b与a接触，乙灯亮；当刹车时，M向右移动，b与c接触，甲灯亮。故选项B正确。]