鲁科版 物理 选修3-2：第3节　大显身手的传感器

欢迎进入物理课堂 第3节大显身手的传感器 课标定位 学习目标 1 了解力传感器在洗衣机上的应用 了解光传感器在自动门上的应用 2 了解电容传感器在指纹识别器上的应用 了解传感器在机器人上的应用 3 感受传感器技术给人类生活带来的便利 了解传感器应用的设计思路 重点难点 传感器的应用 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第3节 课前自主学案 课前自主学案 一 洗衣机水位控制装置全自动洗衣机的水位控制装置使用了 传感器 当水位达到设定的高度时自动 进水电磁阀门 洗涤电动机电源 二 自动门1 控制自动门开关的是一种 传感器 2 自动门工作流程 压力 关闭 接通 红外线 三 指纹识别器指纹识别器是通过 传感器来识别指纹的 手指皮肤与电容传感器表面构成了 由于指纹的凹凸导致不同位置的电容差异 四 传感器与机器人1 机器人传感器的分类机器人传感器分为 传感器和 传感器 电容 电容阵列 外部 内部 2 传感器用途 1 传感器用于感知外部 和外界事物对机器人的 使机器人拥有类似人的 触觉 嗅觉 味觉等感觉 从而使机器人具有拟人化的特点 2 传感器 如角度传感器 等 用于检测机器人的 注意 在自动控制系统中传感器主要用来检测精确数据 检测是自动控制的首要环节 外部 工作环境 刺激 视觉 听觉 关节传感器 内部 状态 核心要点突破 一 各类传感器由敏感元件到转换电路的分析1 洗衣机水位控制装置使用的压力传感器是一种开关型的传感器 当向内筒注水时 部分水进入气室 气室内压强增大 使传感器的膜片向上凸起 从而使动触点a与下面的静触点b分离 并与上面的静触点c接触 从而接通控制电路 关闭进水电磁阀门 同时接通洗涤电动机电源 开始洗涤衣物 2 自动门上的红外线传感器 也是一种开关型的传感器 人走近自动门传感器输出电压信号 信号经过处理后 使定时器工作 由定时器构成的电路使继电器通电 自动门电动机转动 门自动打开 当人通过自动门几秒钟后 自动门电动机反转 门自动关闭 3 指纹识别器的电容传感器输出电容变化这一电信号 经过电路对电信号的比较 实现对指纹的识别 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 当你走近某些写字楼 机场 宾馆等大厅的入口时 大门会自动打开 进入大厅后 门又会自动关闭 关于这种自动门的下列说法中正确的是 A 控制这种自动门开关的是一种红外线传感器B 控制这种自动门开关的是一种普通光电传感器 能使自动门 见光开 C 大人走近门会自动打开 小孩走近门 门不会自动打开D 男孩走近门会自动打开 女孩走近门 门可能不会开 解析 选A 控制自动门开关的传感器是红外线传感器 A对 B错 尽管不同物体 包括大人 孩子 不同温度发出的红外线波长不同 但在设置这个传感器范围时应当充分考虑到大人 小孩个体的差异及人体体温的变化范围 大人 小孩 男孩 女孩靠近 门都应当会自动打开 C D错 二 机器人传感器与人的感官1 机器人的构成机器人主要包括三个部分 环境信息采集部分 相当于人的感觉器官 环境识别和动作控制部分 相当于人的大脑 动作部分 相当于人的手 脚等 2 机器人的感觉传感器是机器人的感觉器官 外部传感器用于感知外部工作环境和外界事物对机器人的刺激 各种传感器与机器人的感觉的对应关系如下表 3 机器人与人执行模拟机器人由传感器 控制器和执行器三个模块组成 其功能作用与人做如下对比 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 2011年南安高二检测 机器人可以通过外部传感器来感知外部工作环境和外界事物 下列说法有误的是 A 温度传感器让其感知温度变化 此传感器是热敏电阻 阻值一定随温度升高而减小B 光电传感器可以作为其眼睛 此传感器是光敏电阻 阻值一定随光亮度增加而减小C 超声波传感器可以作为其耳朵 让其听到常人听不到的声音D 压力传感器可以使其有 手感 解析 选A 温度传感器的敏感元件可以用热敏电阻 也可以用金属热电阻 故A错误 光敏电阻的阻值随光照亮度增加而减小 所以 光电传感器作为眼睛 其中传感器若是光敏电阻 阻值一定随光亮度增加而减小 B正确 超声波传感器作为机器人的耳朵 负责感知常人听不到的声音 C正确 压力传感器可以使机器人感知力的大小 类似于人的手感知力一样 D正确 三 传感器与自动控制的设计传感器在自动控制系统中有着广泛的应用 小到儿童玩具 大到宇宙飞船 传感器的身影随处可见 如果让我们来设计一个自动控制装置 应如何设计呢 1 要明确设计意图 弄清控制条件和相应的自动控制原理 2 要明确应选用哪种传感器 该传感器怎样感知控制条件及怎样转化为电学量输出 3 选用什么样的执行机构 该执行机构怎样执行自动控制 4 采用什么样的电路来实现自动控制 总之要明确传感器应用的一般流程 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 有一个自动控制装置电路如图5 3 1所示 其中M是质量较大的一个金属块 将装置固定在一辆汽车上 汽车启动时 灯亮 原理是 汽车刹车时 灯亮 图5 3 1 解析 当汽车启动时 由于惯性 金属块M后移 接通电路 点亮绿灯 同理刹车时 金属块前移 点亮红灯 答案 绿惯性红 课堂互动讲练 有一种测量人体重的电子秤 其原理图如图5 3 2中的虚线所示 它主要由三部分构成 踏板和压力杠杆ABO 压力传感器R 一个阻值可随压力大小而变化的电阻器 显示体重的仪表G 其实质是电流表 其中AO BO 5 1 已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示 压力传感器的应用 图5 3 2 设踏板的杠杆组件的质量不计 接通电源后 压力传感器两端的电压恒为4 68V 则 1 利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式 2 该秤零刻度线 即踏板空载时的刻度线 应标在电流表刻度盘多少毫安处 3 如果某人站在踏板上 电流表刻度盘示数为20mA 这个人的体重是多少 答案 1 R 300 0 6F 2 15 6 3 550N 方法总结 本题涉及的压力传感器是通过压力改变电阻 从而改变电路中的电流 通过电流表示数反映压力的大小 图5 3 3是电饭煲的电路图 S1是一个控温开关 手动闭合后 当此开关温度达到居里点 103 时 会自动断开 S2是一个自动控温开关 当温度低于70 时 会自动闭合 温度高于80 时 会自动断开 红灯是加热时的指示灯 黄灯是保温时的指示灯 分流电阻R1 R2 500 加热电阻丝R3 50 两灯电阻不计 图5 3 3 1 分析电饭煲的工作原理 2 计算加热和保温两种状态下 电饭煲消耗的电功率之比 3 简要回答 如果不闭合开关S1 能将饭煮熟吗 思路点拨 弄懂原理 分清电路结构及各电阻电键的作用是解题的关键 自主解答 1 电饭煲盛上食物后 接上电源 S2自动闭合 同时手动闭合S1 这时黄灯短路 红灯亮 电饭煲处于加热状态 加热到80 时 S2自动断开 S1仍闭合 温度升高到103 时 开关S1自动断开 这时饭已煮熟 黄灯亮 电饭煲处于保温状态 由于散热 待温度降至70 时 S2自动闭合 电饭煲重新加热 温度达到80 时 S2又自动断开 再次处于保温状态 3 如果不闭合开关S1 开始S2总是闭合的 R1被短路 功率为P1 当温度上升到80 时 S2自动断开 功率为P2 当温度又降低到70 时 S2自动闭合 温度只能在70 80 之间变化 不能把水烧开 不能煮熟饭 答案 见自主解答 变式训练电饭锅是应用温度传感器工作的 它的敏感元件是感温铁氧体 由氧化锰 氧化锌和氧化铁粉末混合烧制而成 其特点是常温下具有磁性 能够被磁铁吸引 温度达到103 失去磁性 这个温度叫居里温度 又称居里点 电饭锅的自动控制结构如图5 3 4所示 根据以上信息回答 图5 3 4 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 2 煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度 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 4 如果用电饭锅烧水 能否在水沸腾后自动断电 解析 1 煮饭时压下开关按钮 感温铁氧体与永磁体相吸结合在一起 触点相接 电路接通 开始加热 手松开后 由于锅内的温度低 感温铁氧体与磁体相互吸引而不能使按钮恢复到图示的状态 2 煮饭时水沸腾后锅内的温度基本保持在水的沸点 3 饭熟后 水分被大米吸收 锅底的温度会升高 当温度上升到 居里温度 约103 时 感温铁氧体失去磁性 磁铁与之分离 开关自动断开 且不能自动复位 4 如果用电饭锅烧水 水沸腾后水温保持100 不会再升高 故不能自动断电 答案 见解析 知能优化训练 本部分内容讲解结束 点此进入课件目录 按ESC键退出全屏播放 谢谢使用 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全