资源简介

传感器及其工作原理
目
标
导
航
思
维
脉
图
1.了解传感器的定义,感受传感器的应用技术在信息时代的作用与意义。
(物理观念)2.知道将非电学量转化为电学量的意义。
(物理观念)3.通过实验了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及作用。
(科学思维)
必备知识·自主学习
一、什么是传感器
　传感器在现代信息技术与自动控制中有什么作用?
提示:传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转化为电学量(如电压、电流等),尤其是将电学量与计算机技术结合,可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化,所以传感器在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用。
1.定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
2.工作原理:
(1)敏感元件:相当于人的感觉器官,是传感器的核心部分,是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
(2)转换元件:是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
(3)转换电路:将转换元件输出的不易测量的非电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流、电阻等。
二、常用的敏感元件
为解决楼道里的照明问题,在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接。当楼道内有人走动而发出声响时,电灯即与电源接通而发光,这种传感器是什么传感器,它的输入、输出信号各是什么?
提示:它是声电传感器,输入的是声信号,输出的是电信号。
1.光敏电阻:
(1)特点:光照越强,电阻越小。
(2)原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子增多,导电性能变好。
(3)作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2.热敏电阻和金属热电阻:
(1)热敏电阻:
①定义:利用温度变化使半导体的导电性能发生显著变化的特性制成的电子元件。
②工作原理:半导体在温度升高时,电阻率随温度的升高而减小,导电能力增强。
③特点:化学稳定性差,灵敏度高。
(2)金属热电阻:
①定义:根据金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。
②工作原理:金属的电阻率随温度的升高而增大。
③特点:金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。
(3)作用:热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
3.霍尔元件:
(1)定义:霍尔元件是利用霍尔效应制成的新型磁敏元件。霍尔传感器是由霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电路构成的。
(2)工作原理:
如图,E、F间通入恒定电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,则M、N间出现霍尔电压UH,UH=k。
(3)作用:霍尔元件能感应磁感应强度等物理量,能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。具有体积小、灵敏度高、无磨损、功耗低等优点,被广泛应用于录、放像机等电路中。
(4)有关霍尔元件解释符合科学实际的有:④⑤
①霍尔元件一共有两个电极,电压这个电学量就通过这两个电极输出。
②把霍尔元件放入磁场中,由于电磁感应现象,在元件的电极间产生感应电动势。
③霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。
④在UH=k中,k为霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关。
⑤霍尔元件可以感知磁感应强度。
(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。
(×)
(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。
(√)
(3)随着光照的增强,光敏电阻的电阻值逐渐增大。
(×)
(4)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
(×)
(5)霍尔元件工作时,产生的电压与外加的磁感应强度成正比。
(√)
关键能力·合作学习
知识点一　对传感器的认识
1.传感器的工作流程:
2.传感器的原理:传感器感受的通常是非电学量,如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的,通常需要经过放大后,再传送给控制系统产生各种控制动作。
3.在理解传感器的原理时要注意以下三点:
(1)明确传感器所采用的核心部分是什么。
(2)传感器的输入量是什么。
(3)传感器的输出量是什么。
　干簧管结构:如图所示是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片,接入如图电路,当条形磁铁靠近干簧管时:
(1)会发生什么现象,为什么?
(2)干簧管的作用是什么?
提示:(1)灯泡会亮,因为当条形磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管起到开关的作用,是一种能够感知磁场的传感器。
【典例】全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理,某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图所示,其中电源电压保持不变,R是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以了解油量情况,你认为电压表应该接在图中的______两点之间,按照你的接法请回答:当油箱中油量减少时,电压表的示数将______(选填“增大”或“减小”)。?
【解析】由题图可知当油箱内液面高度变化时,R的金属滑片将会移动,从而引起R两端电压的变化,且当R′?R时,UR=IR可视为UR与R成正比,所以电压表应接在b、c两点之间;当油量减少时,电压表示数将增大。
答案:b、c　增大
1.当你走近某些宾馆、酒楼的大门时,门就会自动为你打开;当你走进门之后,门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息
(　　)
A.温度　　　B.运动　　　C.人　　　D.光线
【解析】选D。自动门的自动控制要求灵敏、可靠,若以温度控制,人的体温与夏季气温接近,则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器,红外线属于不可见光,人在白天或黑夜均发出红外线,传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机,实现自动开、关门。故选项D正确。
2.(多选)如图所示,干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化。关于干簧管,下列说法正确的是
(　　)
A.干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B.干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C.干簧管接入电路中相当于开关的作用
D.干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
【解析】选C、D。干簧管能感知磁场,因为两个舌簧由软磁性材料制成,当周围存在磁场时,两个舌簧被磁化,就会相互吸引,所以是作为开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的。故C、D正确。
【加固训练】
　　传感器指的是能将感受到的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量量(一般是电学量)的一种元件,在自动控制中有相当广泛的应用,如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器,从电容C大小的变化情况就能反应出液面高度h的高低情况,则下列说法正确的是
(　　)
A.C增大表示h增大
B.C增大表示h减小
C.金属芯线与电介质构成一个电容器
D.图中液体可以不是导电液体
【解析】选A。此传感器是由金属芯线与液体构成一个电容器,其中的液体是电容器的一个极,则此液体必须是导电液体,选项C、D错误;当电容C增大时,根据电容的决定式C=分析正对面积应增大,则知液面高度h增大。当电容C减小时,则液面高度减小,故A正确,B错误。故选A。
知识点二　对敏感元件的认识
1.光敏电阻的导电特性:光敏电阻一般由半导体材料做成,当半导体材料受到光照时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强。
2.热敏电阻和金属热电阻的特点:
(1)热敏电阻:指用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。如图线①所示为某热敏电阻的电阻-温度特性曲线。
(2)金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图线②所示,这样的金属电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,但相比而言,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较好。
3.霍尔元件:
(1)电场的产生:运动的载流子在洛伦兹力作用下向导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场。
(2)电压的形成:横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板两侧会形成稳定的电压:UH=k。UH与B成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。
在工厂生产车间的生产线上安装计数器后,就可以准确得知生产产品的数量。如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么?
提示:当光被产品挡住时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压减小,信号处理系统得到低电压,每通过一个产品就获得一次低电压,并计数一次。
【典例】(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时
(　　)
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
【解题探究】
(1)当热敏电阻的温度升高时,电容器两端电压如何变化?
提示:温度上升电阻变大,电容器与热敏电阻并联,根据串反并同,电容器两端电压变大。
(2)R1消耗的功率如何计算最简单?
提示:由P1=I2R1计算。
【解析】选A、B。当环境温度降低时,R2变大,电路的总电阻变大,由I=知I变小,又U=E-Ir,电压表的读数U增大,B正确;又由P1=I2R1可知,R1消耗的功率P1变小,D错误;电容器两板间的电压U2=U-U1,U1=IR1,可知U1变小,U2变大,由场强E′=,Q=CU2可知Q、E′都增大,故A正确,C错误。
解决含有热敏电阻、光敏电阻的直流电路动态分析问题:
(1)明确热敏电阻、光敏电阻的电阻特性;
(2)解题思路:
R局→R总→I总→U端→
1.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图甲所示,将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图乙所示,下列判断正确的是
(　　)
A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动
D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
【解析】选D。在0～t1内,I恒定,压敏电阻阻值不变,由小车的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动,在t1～t2内,I变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,A、B错误;在t2～t3内,I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,C错误,D正确。
2.如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图,其中R2为用NTC半导体热敏材料制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器,当传感器R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是
(　　)
A.I变大,U变大
B.I变小,U变小
C.I变小,U变大
D.I变大,U变小
【解析】选B。当R2处出现火情时,NTC热敏材料制成的传感器的电阻将减小,则此时电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知:外电路电压将减小,U减小;电路中的总电流增大,所以R1上的电压增大,显示器两端的电压将减小,电流I减小,B正确。
【加固训练】
1.(多选)霍尔式位移传感器的测量原理如图所示,有一个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场,磁感应强度B=B0+kz(B0、k均为常数)。将霍尔元件固定在物体上,保持通过霍尔元件的电流I不变(方向如图所示),当物体沿z轴正方向平移时,由于位置不同,霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。则
(　　)
A.磁感应强度B越大,上、下表面的电势差U越大
B.k越大,传感器灵敏度()越高
C.若图中霍尔元件是电子导电,则下板电势高
D.电流越大,上、下表面的电势差U越小
【解析】选A、B。根据左手定则可判断电子向下板偏转,所以上板电势高;根据Bev=e,解得U=Bdv,所以磁感应强度B越大,上、下表面的电势差U越大;电流越大,则电子定向移动的速率v越大,上、下表面的电势差U越大;由于B=B0+kz,所以U=(B0+kz)dv,所以=kdv,所以k越大,传感器灵敏度()越高。选项A、B正确。
2.(多选)如图所示,理想变压器的原线圈与定值电阻r串联,副线圈接热敏电阻RT(温度升高,阻值减小),在正弦交流电源的电压U0不变的情况下,下列说法正确的是
(　　)
A.当RT的温度升高时,原线圈两端的电压一定减小
B.当RT的温度升高时,原线圈中的电流一定减小
C.当RT的温度降低时,r消耗的功率一定减小
D.当RT的温度降低时,r消耗的功率一定增大
【解析】选A、C。设变压器原线圈的匝数为n1,副线圈的匝数为n2,当RT的温度升高时,其阻值减小,副线圈的电流I2增大,根据=,可知原线圈的电流I1增大,根据U0=I1r+U1,可知原线圈两端的电压U1减小,故A正确,B错误;同理,当RT的温度降低时,其阻值增大,副线圈的电流I2减小,根据=,可知原线圈的电流I1减小,根据P=r,可知r消耗的功率一定减小,故C正确,D错误。
【拓展例题】考查内容:霍尔效应的应用
【典例】如图所示,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过导体时,在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U=k,式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,从而形成横向电场。横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力。当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由电子的定向流动形成的,电子的平均定向速度为v,电荷量为e,回答下列问题:　(1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势____下侧面A′的电势(选填“高于”“低于”或“等于”)。
(2)电子所受的洛伦兹力的大小为____。
(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所受静电力的大小为____。
【解析】(1)导体的电子定向移动形成电流,电子的运动方向与电流方向相反,电流方向向右,则电子向左运动。由左手定则判断,电子会偏向A端面,A′板上出现等量的正电荷,电场线向上,所以上侧面A的电势低于下侧面A′的电势;(2)电子所受的洛伦兹力的大小为F洛=evB;(3)电子所受静电力的大小为F静=eE=e。
答案:(1)低于　(2)evB　(3)e?
情境·模型·素养
　当人们走近和离开一些宾馆或商场的自动门时,门会自动开关,这就是传感器在起作用。
探究:(1)传感器由哪几部分组成?
(2)你所了解的敏感元件有哪些?
【解析】(1)传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。
(2)敏感元件有:热敏元件、光敏元件、气敏元件、磁敏元件、力敏元件、温敏元件等。
答案:见解析
如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中央。
探究:
(1)若在RT上擦一些酒精,表针将如何偏转?
(2)若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?
【解析】(1)由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,指针将向左偏;
(2)用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,电阻值减小,指针将向右偏。
答案:见解析
课堂检测·素养达标
1.关于传感器,下列说法正确的是
(　　)
A.所有传感器都是由半导体材料做成的
B.金属材料也可以制成传感器
C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的
D.以上说法都不正确
【解析】选B。大多数传感器是由半导体材料做成的,某些金属也可以做成传感器,如金属热电阻。传感器将非电学信号转换为电学信号,因此传感器感知的应该是“非电学信号”,故只有B正确。
2.(教材二次开发·P55【做一做】变式题)(多选)霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成为品种多样的磁传感器产品族,得到广泛的应用。如图所示为某霍尔元件的工作原理示意图,该元件中电流I由正电荷的定向移动形成。下列说法正确的是
(　　)
A.M点电势比N点电势高
B.用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C.用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量
D.若保持电流I恒定,则霍尔电压UH与B成正比
【解析】选B、C、D。当正电荷定向移动形成电流时,正电荷在洛伦兹力作用下向N极聚集,M极感应出等量的负电荷,所以M点电势比N点电势低,选项A错误;根据霍尔元件的特点可知,选项B、C正确;因霍尔电压UH=k,保持电流I恒定时,霍尔电压UH与B成正比,选项D正确。
3.(多选)如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图。图中油量表由电流表改装而成,金属杠杆的一端接浮标,另一端触点O接滑动变阻器R。当油箱内油面下降时,下列分析正确的有
(　　)
A.触点O向下滑动　　　
B.触点O向上滑动
C.电路中的电流增大了
D.电路中的电流减小了
【解析】选B、D。当油箱内油面下降时,浮标下降,由杠杆可以看出触点O向上滑动,滑动变阻器R的阻值变大,电流减小,所以选项A、C错误,B、D正确。
4.如图所示的电路中,电源两端的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏电阻,R和L之间用挡板(未画出)隔开,LED为发光二极管(电流越大,发出的光越强),且R与LED间距不变,下列说法中正确的是
(　　)
A.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率增大
B.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率减小
C.当滑动触头P向右移动时,L消耗的功率可能不变
D.无论怎样移动滑动触头P,L消耗的功率都不变
【解析】选A。滑动触头P左移,滑动变阻器接入电路的电阻减小,流过二极管的电流增大,从而发光增强,使光敏电阻R减小,最终达到增大流过灯泡的电流的效果。
【加固训练】
(多选)如图所示,电源的电动势为E,内阻为r,R1、R2、R3为定值电阻,R4为光敏电阻(光敏电阻被光照射时阻值变小),C为电容器。闭合开关S,电路稳定后,用光照射R4,下列说法正确的是
(　　)
A.电压表示数增大　　　　　
B.电源的效率增大
C.电容器所带电荷量增加
D.R2上消耗的功率增大
【解析】选C、D。因有光照射时,光敏电阻的阻值减小,故总电阻减小;由闭合电路的欧姆定律可知,干路中电流增大,由U=E-Ir可知路端电压减小,所以电压表示数减小,故选项A错误;电源的效率η===1-,电流增大,则电源效率减小,故选项B错误;电容器两板间的电压与R2两端的电压相等,因R4电阻变小,总电阻变小,总电流增大,外电压变小,通过R1的电流减小,则通过R2的电流增大,所以电容器两板间的电压增大,根据Q=CU可知,电容器所带电荷量一定增加,故选项C正确;通过R2的电流增大,根据P=I2R可知,R2上消耗的功率增大,故选项D正确。
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13
-传感器的应用
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航
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图
1.了解传感器在日常生活和生产中的应用。
(物理观念)2.通过实验了解传感器的一般应用模式。
(科学思维)3.会设计简单的有关传感器应用的控制电路,提升分析问题、解决问题的能力。
(科学态度与责任)
必备知识·自主学习
一、传感器应用的一般模式
二、力传感器的应用——电子秤
电子秤使用的测力装置是什么?它是由什么元件组成的?
提示:测力装置是力传感器,力传感器是由金属梁和应变片组成的。
1.组成及敏感元件:由金属梁和应变片组成,敏感元件是应变片。
2.工作原理:
3.作用:应变片将物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
三、温度传感器的应用实例
　生活中与温度控制相关的家用电器有很多,试举例说明。
提示:电饭煲、电冰箱、电冰柜、微波炉、空调、消毒柜等。
1.电熨斗:
(1)构造(如图所示):
主要由调温旋钮、升降螺钉、绝缘支架、触点、双金属片、弹性铜片、电热丝、金属底板等几部分组成。
(2)敏感元件:双金属片。
(3)工作原理:温度变化时,由于双金属片上层金属与下层金属的热膨胀系数不同,双金属片发生弯曲从而控制电路的通断。
2.电饭锅:
(1)构造(如图所示):
(2)敏感元件:感温铁氧体。
(3)工作原理:
①居里温度:感温铁氧体常温下具有铁磁性,温度上升到约103
℃时,失去铁磁性,这一温度称为该材料的“居里温度”。?
②自动断电原理:用手按下开关通电加热,开始煮饭,当锅内加热温度达到103
℃时,铁氧体失去磁性,与永久磁铁失去吸引力,被弹簧弹开,从而推动杠杆使触点开关断开。?
四、光传感器的应用——火灾报警器
　烟雾散射式火灾报警器的工作原理是什么?
提示:烟雾散射式火灾报警器的工作原理: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。
1.组成:如图所示
发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。
2.工作原理:
3.关于传感器的解释符合科学实际的有:②④
①应变片是由导体材料制成的。
②当应变片的表面拉伸时,其电阻变大,反之变小。
③传感器输出的是金属架上的电压。
④外力越大,输出的电压差值也越大。
　(1)传感器可以直接用来进行自动控制。
(×)
(2)传感器可以用来采集信息。
(√)
(3)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。
(×)
(4)鼠标是力传感器。
(×)
(5)电吉他是光电传感器。
(×)
关键能力·合作学习
知识点一　传感器问题的分析
1.分析思路:
物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤:
(1)信息采集;
(2)信息加工、放大、传输;
(3)利用所获得的信息执行某种操作。
2.分析传感器问题要注意四点:
(1)感受量分析:要明确传感器所感受的物理量,如力、热、光、磁、声等。
(2)输出信号分析:明确传感器的敏感元件,分析它的输入信号及输出信号,以及输入信号与输出信号间的变化规律。
(3)电路结构分析:认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点的基础上,分析电路输出信号与输入信号间的规律。
(4)执行机构工作分析:传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。
【典例】用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2
kg的滑块,滑块可无摩擦滑动,两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上,其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固定在汽车上,传感器b在前,传感器a在后。汽车静止时,传感器a、b的示数均为10
N。
(1)若传感器a的示数为14
N,传感器b的示数为6
N,求此时汽车的加速度大小和方向。
(2)当汽车以怎样的加速度运动时,传感器a的示数为零。
【解析】(1)如图所示,依题意得左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14
N,右侧弹簧对滑块向左的推力F2=6
N,滑块所受合力产生加速度a1,根据牛顿第二定律有F1-F2=ma1
可得a1==
m/s2=4
m/s2
a1与F1同方向,即向前(向右)。
(2)传感器a的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F1′=0,因两弹簧相同,左侧弹簧伸长多少,右侧弹簧就缩短多少,所以右侧弹簧的弹力变为F2′=20
N。
滑块所受合力产生加速度a2,由牛顿第二定律得
F合=F2′=ma2
可得a2==10
m/s2,方向向左。
答案:(1)4
m/s2　方向向右
(2)以方向向左、大小为10
m/s2的加速度运动
如图所示为大型电子地磅电路图,电源电动势为E,内阻不计,不称物体时,滑动头P在A端,滑动变阻器接入电路中有效电阻最大,电流较小;称重物时,在压力作用下滑动头P下移,滑动变阻器有效电阻变小,电流变大。这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上,就可以读出被称重物的质量。若滑动变阻器上A、B间长度为l,最大阻值为R0,已知两弹簧的总弹力与形变量成正比,比例系数为k,试推导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系。
【解析】设称重物G时弹簧的压缩量为x,由题意得
G=kx
①
此时,滑动头P距B端距离为l-x,
滑动变阻器有效电阻为R0-R0,
由欧姆定律有I=
②
由①②式解得G=2kl-。
答案:G=2kl-
【加固训练】
1.如图所示为一种常见的身高体重测量仪,测量仪顶部向下发射超声波,超声波经反射后返回,被测量仪接收,测量仪可记录发射和接收的时间间隔。测量仪底部有一压力传感器,其输出电压与作用在其上的压力F成正比,表达式为U=kF(k为比例系数)。某同学已知了自己的身高h、质量m和重力加速度g,他想利用该装置测量超声波速度v和比例系数k,他多次研究发现,当他站上测重台时测量仪记录的时间间隔比他没站上时减少了Δt;当他没站上测重台时,测量仪已有输出电压为U0(U0≠0),当他站上测重台时测量仪输出电压为U,那么超声波v与比例系数k为
(　　)
A.v=,k=　　　
B.v=,k=
C.v=,k=
D.v=,k=
【解析】选C。设身高体重测量仪高度为L,没有站人时压力传感器的压力为F0,设当测重台上没有站人时,测量仪记录的时间间隔为t0,根据超声波的速度和位移关系可得vt0=2L;根据传感器输出电压与作用在其上的压力成正比可得U0=kF0;当测重台上站人时,测量仪记录的时间间隔为t,同理可得vt=2(L-h),U=k(F0+
mg),联立解得,v=,k=,C正确;故选C。2.用如图所示的传感器可以测物体的位移,说明它们的工作原理有什么不同。
【解析】甲是将位移信号转化成电容信号,乙是将位移信号转化成电感信号。
答案:见解析
知识点二　传感器的实际应用
1.力传感器的应用——电子秤:
(1)力传感器的组成:由金属梁和应变片组成。
(2)作用:将物体的形变这个力学量转换为电压这个电学量,方便测量、处理和控制。
2.温度传感器的应用:
(1)电熨斗: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)电饭锅: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:常温下具有铁磁性,能被磁体吸引,但是温度上升到约103
℃时,就失去了铁磁性,不能被磁体吸引了。
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。
　在超市里,当我们购买水果时,售货员把水果放在表面平整的电子秤上,电子秤即可显示出所购水果的质量及应付的钱数。电子秤用到的传感器——应变片测力的原理是怎样的?
提示:应变片的结构如图所示,弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片,在梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻增大,下表面应变片的电阻减小。F越大,弯曲形变越大,应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么上面应变片两端的电压增大,下面应变片两端的电压减小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大,输出的电压差值也就越大。
【典例】如图所示,甲为在温度为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闭合,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
(　　)
A.10
℃　　　B.20
℃　　　C.35
℃　　　D.45
℃
【解析】选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,由图乙得对应的温度为35
℃,故C正确。
　传感器应用问题的分析方法
(1)要分清哪是主电路部分,哪是控制电路部分。
(2)联系主电路和控制电路的关键点就是传感器中的敏感元件。敏感元件感知主电路所处的状态,作出相应的反应,促使控制电路工作,保证主电路能工作在相应的设定状态之下。
传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件,在自动控制中有着相当广泛的应用。有一种测量人的体重的电子秤,其测量部分的原理图如图中的虚线框所示,它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)和显示体重大小的仪表○A
(实质是理想电流表)组成。压力传感器表面能承受的最大压强为1×107
Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表所示。设踏板和压杆的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.8
V,g取10
m/s2。请作答:
压力F/N
0
250
500
750
1
000
1
250
1
500
…
电阻R/Ω
300
270
240
210
180
150
120
…
(1)该秤零点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘何处?
(2)如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20
mA,则这个人的质量是多少?
【解析】(1)由压力传感器R的电阻与所受压力的关系如表中所示,可得:F=0,R=300
Ω,由闭合电路欧姆定律:I==
A=1.6×10-2
A,即该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘1.6×10-2
A处;
(2)由闭合电路欧姆定律:R==
Ω=240
Ω
由表中数据得,F=500
N,由G=mg,得m=50
kg
如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20
mA,则此人的体重是50
kg
答案:(1)应标在电流表刻度盘1.6×10-2
A处　(2)50
kg
【加固训练】
如图为火灾报警器,在会议室、宾馆房间的天花板上均有安装。当有烟雾进入这种有孔的罩内时即会发出警报,则该报警器中装有的传感器是
(　　)
A.光传感器　　　　　
B.压力传感器
C.声音传感器
D.温度传感器
【解析】选A。有烟雾进入这种有孔的罩内时对光有散射作用,使光线的光路发生变化,改变传感器上光照强度来发出警报,则该报警器中装有的传感器是光传感器。故A项正确。
【拓展例题】考查内容:温控电路的分析计算
【典例】如图甲所示为半导体材料制成的热敏电阻的阻值随温度变化的曲线,图乙为用此热敏电阻RT和继电器设计的温控电路,设继电器的线圈电阻为Rx=50
Ω,当继电器线圈中的电流IC大于或等于20
mA时,继电器的衔铁被吸合。左侧电源电动势为6
V,内阻可不计,温度满足什么条件时,电路右侧的小灯泡会发光?
【解析】热敏电阻与继电器串联,
若使电流不小于IC=20
mA,
则总电阻不大于R总==300
Ω。
由于R总=RT+Rx,则RT不大于250
Ω。
由甲图可看出,当RT=250
Ω时,温度t=50
℃,
即温度不小于50
℃。
答案:温度不小于50
℃时,电路右侧的小灯泡会发光。
情境·模型·素养
　电饭锅的结构如图所示。
探究:(1)开始煮饭时压下开关按钮,手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态?为什么?
(2)饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会有什么变化?这时电饭锅会自动发生哪些动作?
【解析】(1)煮饭时压下开关按钮,感温磁体与永磁体相互吸引结合在一起,触点相接,电路接通,开始加热,手松开后,由于锅内的温度低,感温磁体与永磁体相互吸引而不能使按钮恢复到题图所示的状态。
(2)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,感温磁体失去磁性,在弹簧作用下永磁体与之分离,开关自动断开。
答案:见解析
如图所示为一冷库中的自动控温设备,容器中是导电液体,其液面与两个电极刚刚接触。
探究:试探究分析其自动控温原理。
【解析】冷库中温度较低时,导电液体积较小,此时两电极未与导电液接触,制冷机不工作,当冷库中温度升高,致使导电液受热膨胀,体积增大,液面升高,当液面与两电极接触时,电路接通,制冷机开始工作,冷库温度降低,导电液温度降低,液面下降,当液面与电极分离时,电路断开,制冷机停止工作。
答案:见解析
课堂检测·素养达标
1.(多选)(教材二次开发·P58【思考与讨论】变式题)如图所示是自动调温式电熨斗,下列说法正确的是
(　　)
A.常温时上下触点是接触的
B.双金属片温度升高时,上金属片形变较大,双金属片将向下弯曲
C.原来温度控制在80
℃断开电源,现要求60
℃断开电源,应使调温旋钮下移一些
D.由熨烫丝绸衣物状态转化为熨烫棉麻衣物状态,应使调温旋钮下移一些
【解析】选A、B、D。常温工作时,上下触点是接通的,当温度升高时,上金属片形变较大,双金属片向下弯曲,切断电源。切断温度要升高则应使调温旋钮下移一些,A、B、D对,C错。
2.(多选)下列关于光传感火灾报警器的说法中正确的是
(　　)
A.发光二极管、光电三极管都是由半导体材料制成的
B.光电三极管与光敏电阻一样都是光敏感元件,都是将光信号转换为电信号
C.发光二极管发出的是脉冲微光
D.如果把挡板撤去,火灾报警器照样工作
【解析】选A、B。发光二极管工作时是持续发光的,挡板撤去,光始终照到光电三极管上,始终发出警报,和有无火灾无关。
3.(多选)如图为握力器原理示意图,握力器把手上的弹簧与连杆一起上下移动,握力的大小可通过一定的换算关系由电流表的示数获得。当人紧握握力器时,如果握力越大,下列判断正确的有
(　　)
A.电路中电阻越大　　　　　　
B.电路中电阻越小
C.电路中电流越小
D.电路中电流越大
【解析】选B、D。由题图看出,握力越大,变阻器接入电路的电阻越小,外电路的总电阻越小,故B正确,A错误;根据闭合电路欧姆定律可知,电路中电流越大,故D正确,C错误。
4.如图所示,小铅球P系在细金属丝下,悬挂在O点,开始时小铅球P沿竖直方向处于静止状态,当将小铅球P放入水平流动的水中时,球向左摆动一定的角度θ,水流速度越大,θ越大。为了测定水流对小球作用力的大小,在水平方向固定一根电阻丝BC,其长为L,它与金属丝接触良好,不计摩擦和金属丝的电阻,C端在O点正下方处且OC=h。图中还有电动势为E的电源(内阻不计)和一只电压表。请你连接一个电路,使得当水速增大时,电压表示数增大。
【解析】如图所示,
设CE=x,P球平衡时,由平衡条件可得
tanθ==
①
根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得
I==
②
根据电阻定律可得
RL=ρ
③
Rx=ρ
④
由①、②、③、④式可得U=,因为水速越大,θ越大,则U越大。
答案:见解析
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12
-实验:传感器的应用
实验必备·自主学习
一、实验目的
1.识别逻辑集成电路块、集成电路实验板,通过练习电子电路的组装,获得对自动控制电路设计的感性认识。
2.了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。
3.了解温度报警器及控制原理,会组装温度报警器。
二、实验器材
1.光控开关实验:斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6
V,
0.3
A)、可变电阻R1(最大阻值51
kΩ)、电阻R2(330
Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5
V)、导线若干、黑纸。
2.温度报警器实验:斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值
1
kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5
V)、导线若干、烧杯(盛有热水)。
三、实验原理与设计
1.光控开关:
(1)电路如图所示。
(2)斯密特触发器的工作原理:斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路,当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6
V)时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25
V),而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8
V),Y会从低电平跳到高电平(3.4
V)。
(3)光控开关的原理如(1)图所示:白天,光照强度较大,光敏电阻RG阻值较小,加在斯密特触发器输入端A的电压较低,则输出端Y输出高电平,发光二极管LED不导通;当天暗到一定程度时,RG阻值增大到一定值,斯密特触发器的输入端A的电压上升到1.6
V,输出端Y突然从高电平跳到低电平,则发光二极管LED导通发光(相当于路灯),这样就达到了使路灯天明自动熄灭,天暗自动开启的目的。
2.温度报警器:
(1)电路如图所示。
(2)工作原理:常温下,调节R1的阻值使斯密特触发器输入端A处于低电平,则输出端Y处于高电平,无电流通过蜂鸣器,蜂鸣器不发声;当温度升高时,热敏电阻RT阻值减小,斯密特触发器输入端A的电压升高,当达到某一值(高电平)时,其输出端Y由高电平跳到低电平,蜂鸣器通电,从而发出报警声。R1的阻值不同,则报警温度不同,可以通过调节R1来调节蜂鸣器的灵敏度。
实验过程·合作学习
实验步骤
1.光控开关实验步骤:
(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
(2)检查各元件的连接,确保无误。
(3)接通电源,调节电阻R1,使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮。
(4)用黑纸逐渐遮住光敏电阻,观察发光二极管或灯泡的状态。
(5)逐渐撤掉黑纸,观察发光二极管或灯泡的状态。
2.温度报警器实验步骤:
(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上。
(2)检查各元件的连接,确保无误。
(3)接通电源,调节电阻R1,使蜂鸣器常温下不发声。
(4)用热水使热敏电阻的温度升高,注意蜂鸣器是否发声。
(5)将热敏电阻从热水中取出,注意蜂鸣器是否发声。
数据收集与分析
　观察温度报警器的工作电路图,思考下列问题。
要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警,应该把R1的阻值调大些还是调小些?
提示:要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警,应该减小R1的阻值。R1阻值越小,要使斯密特触发器输入端达到高电平,则热敏电阻阻值要求越小,即温度越高。
注意事项
1.安装前,对器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。
2.光控开关实验中,二极管连入电路的极性不能反接,否则继电器不能正常工作。
要想在天色更暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些还是调小些?为什么?
提示:要想在天色更暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些,这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值(1.6
V),就需要RG的阻值达到更大,即天色更暗。
实验研析·创新学习
类型一　教材原型实验
角度1光控开关的应用
【典例1】(多选)图甲表示斯密特触发器,当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6
V)时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25
V),而当输入端A的电压下降到另一个值(0.8
V)的时候,Y会从低电平跳到高电平(3.4
V)。图乙为一光控电路,用发光二极管LED模仿路灯,RG为光敏电阻。下列关于斯密特触发器和光控电路的说法中正确的是
(　　)
A.斯密特触发器的作用是将数字信号转换为模拟信号
B.斯密特触发器是具有特殊功能的非门
C.要想在天更暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些
D.当输出端Y突然从高电平跳到低电平时,发光二极管发光
【解析】选B、C、D。斯密特触发器是一种特殊的非门,它能把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号,选项A错误,B正确;如果把R1的阻值调大些,则只有RG的阻值达到更大值时,才能使斯密特触发器的A端电压达到某个值(1.6
V),即达到天更暗时路灯才会亮的目的,选项C正确;当输出端Y突然从高电平跳到低电平时,发光二极管导通发光,选项D正确。
角度2温控开关的应用
【典例2】如图所示是一个火警报警装置的逻辑电路图。RT是一个热敏电阻,低温时电阻值很大,高温时电阻值很小,R是一个阻值较小的分压电阻。
(1)要做到低温时电铃不响,火警时产生高温,电铃响起,在图中虚线处应接入怎样的元件?
(2)为什么温度高时电铃会被接通?
(3)为了提高该电路的灵敏度,即报警温度调得稍低些,R的值应大一些还是小一些?
【解析】(1)温度较低时RT的阻值很大,R比RT小得多,因此P、X之间电压较大。要求此时电铃不响,表明输出给电铃的电压应该较小,输入与输出相反,可见虚线处元件应是“非”门。
(2)高温时RT的阻值减小,P、X之间电压降低,输入低电压时,从“非”门输出的是高电压,电铃响起。
(3)由前面分析可知,若R较大,由于它的分压作用,RT两端的电压降低,则外界温度不太高时,就能使P、X之间电压降到低电压输入,电铃就能发声,因此R较大时,反应较灵敏。
答案:见解析
设计自动控制电路一般思路
(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,又通过电磁继电器相互关联,电磁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对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如,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,使路灯发光。
类型二　创新型实验
【典例3】某学生为测量一个物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k),如图所示,测量时先调节输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为零;而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。
现有下列器材:力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个,开关及导线若干,待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。
请完成对该物体质量的测量。
(1)设计一个电路图,要求力电转换器的输入电压可调,并且使电压的调节范围尽可能大;
(2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测物体的质量m。
【解析】(1)设计的电路图如图所示。
(2)测量步骤与结果如下:
①闭合开关S,调节变阻器的滑片P,使力电转换器的输出电压为零。
②将质量为m0的砝码放在力电转换器的受压面上,记下此时的输出电压U0。
③取下砝码,将待测物体放在力电转换器的受压面上,记下此时的输出电压U。
由以上测量可求出比例系数k及待测物体的质量m,
因为U0=km0g,所以有
k=
又由于U=kmg,
所以待测物体的质量为m=m0。
答案:(1)见解析图　(2)　m0
【创新探究】
(1)请设想实验中可能会出现的一个问题。
提示:①待测物体的质量超过此力电转换器的量程。
②因电源电压不够而导致输出电压调不到零。
(2)该实验模型可以作为生活中的哪些电器的基本原理?
提示:体重计、台秤。
课堂检测·素养达标
1.(多选)如图所示为一个逻辑电平检测电路,A与被测点相接,则
(　　)
A.A为低电平,LED发光
B.A为高电平,LED发光
C.A为低电平,LED不发光
D.A为高电平,LED不发光
【解析】选B、C。A为低电平时,Y为高电平,LED的电压小,不发光;A为高电平时,Y为低电平,LED的电压大,发光,故选项B、C正确。
【加固训练】
　　(多选)如图所示的光控电路用发光二极管LED模仿路灯,RG为光敏电阻。“”是具有特殊功能的非门,当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平,而当输入端A的电压下降到另一个值时,输出端Y会从低电平跳到高电平。要求在天暗时路灯(发光二极管)会被点亮,下列说法正确的是
(　　)
A.天暗时,Y处于高电平
B.天暗时,Y处于低电平
C.当R1调大时,A端的电压降低,灯(发光二极管)点亮
D.当R1调大时,A端的电压降低,灯(发光二极管)熄灭
【解析】选B、D。天暗时,RG电阻值大,A端为高电平,所以输出端Y为低电平,发光二极管导通,选项B正确,A错误;将R1调大时,A端电势降低,当降到某一值时,输出端变为高电平,灯(发光二极管)熄灭,选项D正确,C错误。
2.如图所示为小型电磁继电器的构造示意图,其中L为含铁芯的线圈,P为可绕O点转动的铁片,K为弹簧,S为一对触头,A、B、C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合,可完成自动控制的要求,其工作方式是
(　　)
A.A与B接信号电压,C与D跟被控电路串联
B.A与B接信号电压,C与D跟被控电路并联
C.C与D接信号电压,A与B跟被控电路串联
D.C与D接信号电压,A与B跟被控电路并联
【解析】选A。由题图可知,A、B是电磁继电器线圈,所以A、B应接信号电压,线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或分离,从而使C、D接通或断开,进而起到控制作用,故A正确。
3.电流传感器可以清楚地演示一些电学元件对电路中电流的影响。如图所示,在电路中接入电感线圈,闭合开关时,计算机显示的电流随时间变化的图象是
(　　)
【解析】选B。当闭合开关时,通过电感线圈的电流是逐渐增大但并不是均匀增大的,一段时间后电流恒定,故选项B正确。
4.(2020·宜春高二检测)如图是热水器的恒温集成电路,R0是热敏电阻,温度较低时其阻值很大,温度较高时阻值很小,如果热水器中没有水或水温较高时,继电器会放开簧片,发热器断路,反之会吸住簧片接通发热器,如果热水器中没有水时,电路中BC部分就处于____　(选填“断路”或“短路”)状态,则在电路图的虚线框内的门电路应是____门,当温度较低时,门电路的输入端A是______　(选填“高”或“低”)电势。?
【解析】热水器中没有水,BC部分相当于断路。热水器中没有水或水温较高时,继电器都能使发热器断路,故可判断虚线框内应是“与”门,当温度较低时,R0阻值较大,故门电路的输入端A是高电势。
答案:断路　与　高
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8
-第六章
传感器
知识体系·思维导图
考点整合·素养提升
考　点　常见敏感元件的特点及应用
角度1光敏电阻(难度☆☆)
　光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量,一般随光照的增强电阻值减小。
提醒:光敏电阻是用半导体材料制成的,硫化镉在无光时,载流子(导电电荷)极少,导电性能不好,随着光照的增强,载流子增多,导电性能变好。
角度2热敏电阻和金属热电阻(难度☆☆☆)
1.热敏电阻
热敏电阻用半导体材料制成,其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
提醒:(1)在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器;电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。
(2)热敏电阻器的应用十分广泛,主要应用于:
①利用电阻—温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿。
②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用。
③利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等。
④利用热惯性作为时间延时器。
2.金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的金属也可以制作温度传感器,称为金属热电阻。
提醒:热敏电阻或金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量,但相比而言,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,而热敏电阻的灵敏度较高。
1.(多选)如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置,R1为光敏电阻,R2为定值电阻,A、B接监控装置,则
(　　)
A.当有人通过而遮蔽光线时,A、B之间电压增大
B.当有人通过而遮蔽光线时,A、B之间电压减小
C.当仅增大R2的阻值时,A、B之间的电压增大
D.当仅减小R2的阻值时,A、B之间的电压增大
【解析】选B、C。R1是光敏电阻,有光照射时,阻值变小,当有人通过而遮蔽光线时,R1的阻值变大,回路中的电流I减小,A、B间的电压U=IR2减小,故A错误,B正确;由闭合电路欧姆定律得U=E-I(R1+r),当仅增大R2的阻值时,电路中的电流减小,A、B间的电压U增大,故C正确;当仅减小R2的阻值时,电路中的电流增大,A、B间的电压U减小,故D错误。
2.如图所示,RT为负温度系数的热敏电阻,R为定值电阻,若往RT上擦些酒精,在环境温度不变的情况下,关于电压表示数的变化情况,下列说法中正确的是
(　　)
A.变大
B.变小
C.先变大后变小再不变
D.先变小后变大再不变
【解析】选D。往RT上擦酒精后,酒精挥发吸热,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,根据串联电路的分压特点,电压表示数变小。当酒精挥发完毕后,RT的温度逐渐升高到环境温度后不变,所以热敏电阻的阻值逐渐变小,最后不变,故电压表的示数将逐渐变大,最后不变,所以选项D正确。
3.光敏电阻在各种自动化装置中有很多应用,如可用于街道路灯的自动控制开关,如图所示为模拟电路,其中A为光敏电阻,B为电磁继电器,C为照明电路,D为路灯,请连成正确的电路,达到日出灯熄、日落灯亮的效果。
【解析】电路连接如图所示。当天亮时,光线照射光敏电阻A,其阻值迅速减小,控制回路电流增大,电磁继电器B工作,吸下衔铁使触点断开,路灯熄灭。当夜晚降临,光线变暗,光敏电阻A的阻值增大,控制回路电流减小,弹簧将衔铁拉起,触点接通,路灯点亮。
答案:见解析图
考　点　传感器的应用(难度☆☆☆)
1.传感器的应用过程包括三个环节:感、传、用。
(1)“感”是指传感器的敏感元件感应信息,并转化为电学量。
(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取并转化的电学信息传给执行机构。
(3)“用”是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作。
2.处理与传感器有关的电路设计问题时,可将整个电路分解为:
(1)传感器所在的信息采集部分。
(2)转化传输部分(这部分电路往往与直流电路的动态分析有关)。
(3)执行电路。
1.(2020·汕头高二检测)电动自行车是一种应用广泛的交通工具,其速度控制是通过转动右把手实现的,这种转动把手称为“霍尔转把”,属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等,截面如图甲所示。开启电源时,在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压,形成电流,如图乙所示。随着转把的转动,其内部的永久磁铁也跟着转动,霍尔器件能输出控制车速的电压,已知电压与车速关系如图丙所示。下列关于“霍尔转把”叙述正确的是
(　　)
A.为提高控制的灵敏度,永久磁铁的上、下端分别为N、S极
B.按图甲顺时针转动电动车的右把手,车速将变快
C.图乙中从霍尔器件的左、右侧面输出控制车速的霍尔电压
D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调,将影响车速控制
【解析】选B。
由于在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压,形成电流,当永久磁铁的上、下端分别为N、S极时,磁场方向与电子的移动方向平行,电子不受洛伦兹力作用,则霍尔器件不能输出控制车速的霍尔电压,选项A错误;当按图甲顺时针转动电动车的右把手,霍尔器件周围的磁场增强,则霍尔器件输出控制车速的霍尔电压增大,因此车速将变快,选项B正确;根据题意,结合图乙的示意图,则永久磁铁的N、S极可能在左、右侧面,或在前、后表面,因此从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压,不一定在霍尔器件的左、右侧面,也可能在前、后表面,选项C错误;当霍尔器件的上、下面之间所加电压正负极性对调,从霍尔器件输出控制车速的霍尔电压正负号相反,由图丙可知,不会影响车速控制,选项D错误。
2.(多选)(2020·开封市高二测试)如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻。此光电计数器的工作原理是
(　　)
A.当有光照射R1时,信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R1时,信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
【解析】选A、C。光电计数器的工作原理:当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时,R1电阻增大,电路中电流减小,R2两端电压降低,信号处理系统得到低电压,计数器每由高电压变到低电压,就计一个数,从而达到自动计数的目的。
3.国家有关酒驾的裁量标准如下:
驾驶员血液酒精含量
≥20
mg/100
mL,≤80
mg/100
mL
≥80
mg/100
mL
行为定性
饮酒驾驶
醉酒驾驶
酒精检测仪是交警执法时通过呼气来检测司机饮酒多少的检测工具。现有一个酒精检测仪的主要元件“酒精气体传感器”,其阻值随气体酒精浓度变化的情况如表。
R/Ω
60
40
30
20
10
气体酒精浓度/(mg·m-3)
0
50
90
140
360
(1)请根据表中数据在图乙中描绘出“R—气体酒精浓度”的关系曲线。
(2)已知人体血液酒精浓度是所呼出气体酒精浓度的2
200倍。若测得某司机小明,经过气体酒精浓度测试,显示呼气酒精浓度为120
mg/m3,则司机小明应该是属于____驾驶,此时R的阻值为____Ω。?
(3)现有一个电源,电动势为4.5
V,内阻约为1
Ω;电压表V,量程为3
V,内阻约为2
000
Ω;电流表A,量程为3
A,内阻约为5
Ω;滑动变阻器R1,阻值0～50
Ω;滑动变阻器R2,阻值0～500
Ω;开关、导线若干。
若要用以上器材和上述“酒精气体传感器”组成一个测定气体酒精浓度的电路,该电路只使用一个电表,且正常工作时,被测气体酒精浓度若为0,则电表指针满偏。且该电路可以在电源老化,内阻变大的情况下,通过调节变阻器,保证被测气体酒精浓度为0时,电表指针仍能满偏。则该电路应选用的电表是____(填字母代号,下同),应选用的滑动变阻器是____。请在图丙虚线框中完成设计电路图。?
【解析】(1)根据数据描绘出“R—气体酒精浓度”的关系曲线如图;
(2)司机小明,经过气体酒精浓度测试,显示呼气酒精浓度为:120
mg/m3,血液酒精浓度为120×2
200
mg/m3=2.64×105
mg/m3=26.4
mg/100
mL,司机小明应该是属于饮酒驾驶;由图线可知,此时R的阻值为24
Ω。
(3)根据电路要求的特征,则该电路应选用的电表是V,因R=24
Ω,则应选用的滑动变阻器是R1。电路如图。
答案:(1)如图:
(2)饮酒　24　(3)V　R1　电路如图
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