(共31张PPT)
本章整合
第5章
2021
知识网络 体系构建
重点题型 归纳整合
一
传感器及常见敏感元件
1.传感器:传感器是能够把易感受的力、温度、光、声、化学成分等非电学量按照一定的规律转换为容易进行测量、传输、处理和控制的电压、电流等电学量或转换为电路通断的一类元件。原理如下所示:
2.光敏电阻:光敏电阻是用半导体材料制成的,其特点是在被光照射时电阻会发生变化,光照增强电阻减小,光照减弱电阻增大,其作用是把光学量转换为电学量。
3.热敏电阻和金属热电阻:金属热电阻的电阻率随温度升高而增大。其特点是化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。热敏电阻是由半导体材料制成的,其电阻率对温度非常敏感。热敏电阻有正温度系数(PTC热敏电阻)、负温度系数(NTC热敏电阻)两种。正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大,负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小。金属热电阻和热敏电阻都能把热学量转换为电学量。
4.电容器:平行板电容器的电容大小与极板正对面积、极板间距及电介质材料有关,电容器可以感知引起电容变化的任一外界信息并将其转化为相应的电容变化。例如,当极板受力时会改变极板间距,从而引起电容变化。
5.霍尔元件:霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量,霍尔电压
例1如图甲所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。
(1)为了通过测量得到如图甲所示I-U关系的完整曲线,在图乙和图丙两个电路中应选择的是 ;简要说明理由:
。(电源电动势为9 V,内阻不计,滑动变阻器的阻值为0~100 Ω)
(2)在图丁所示电路中,电源电压恒为9 V,电流表读数为70 mA,定值电阻R1=250 Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为
V;电阻R2的阻值为 Ω。
(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子。
解析 (1)由于I-U关系图线中电压从0调至所需电压,电压调节范围大,所以应选择图乙。
(2)由题图知,R2与热敏电阻串联后与R1并联接在9 V电源上,总电流I=70 mA,
R1=250 Ω。设通过热敏电阻的电流为I2,通过R1的电流为I1,则I=I1+I2,
(3)应用热敏电阻的例子很多,如恒温箱,自动孵化器,热敏温度计等。
答案 (1)图乙 电路电压可从0调到所需电压,电压调节范围大
(2)5.4 105.9(105.6~106.0均可)
(3)恒温箱,自动孵化器,热敏温度计等
方法技巧 应明确变阻器满足以下条件时,变阻器应采用分压式接法:①实验要求电流或电压从零调或实验要求电流调节范围足够大;②当变阻器的全电阻远小于待测电阻时。
变式训练1(2020湖南部分重点中学期末)
如图所示是利用GMR(巨磁阻效应)设计的磁铁矿探测仪原理示意图,图中GMR在外磁场作用下,电阻会大幅度减小。下列说法正确的是( )
A.若存在磁铁矿,则指示灯不亮;若将电阻R调大,该探测仪的灵敏度提高
B.若存在磁铁矿,则指示灯不亮;若将电阻R调小,该探测仪的灵敏度提高
C.若存在磁铁矿,则指示灯亮;若将电阻R调大,该探测仪的灵敏度提高
D.若存在磁铁矿,则指示灯亮;若将电阻R调小,该探测仪的灵敏度提高
解析 如果存在磁铁矿,则巨磁阻(GMR)大幅度减小,流过巨磁阻(GMR)和R电路的电流大幅度增大,由UR=IR知,R两端电压增大,因此,巨磁阻(GMR)两端电压减小,即A端电平升高,则非门电路输出端Z电平降低,则指示灯两端电压升高,指示灯亮,如果将电阻R调大,则A端电平调得更高,Z端输出的电平更低,则指示灯的电压更大,指示灯更亮,该探测仪的灵敏度提高,故A、B、D错,C正确。
答案 C
二
传感器在实际问题中的应用
以传感器为桥梁可以将多方面的物理知识整合在一起,在实际问题中既可以直接考查传感器知识,也可以考查敏感元件的敏感特性。几种传感器及与其相联系的物理知识,如表:
传感器种类 敏感元件 与之相联系的物理知识
光电传感器 光敏电阻 直流电路动态分析
温度传感器 热敏电阻 直流电路问题
力传感器 压敏电阻 力学、运动学与直流电路
电容传感器 电容器 力、运动与含电容电路
例2(2020广东仲元中学七校联考)材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”,利用这种效应可以测量压力大小。若图甲为某压敏电阻在室温下的电阻—压力特性曲线,其中RF、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值。为了测量压力F,需先测量压敏电阻处于压力中的电阻值RF。请按要求完成下列实验。
(1)设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路,在图乙的虚线框中画出实验电路原理图(压敏电阻及所给压力已给出,待测压力大小约为0.4×102~0.8×102 N,不考虑压力对电路其他部分的影响),要求误差较小,提供的器材如下:
A.压敏电阻:无压力时阻值R0=6 000 Ω
B.滑动变阻器R:最大阻值为200 Ω
C.电流表A:量程2.5 mA,内阻约30 Ω
D.电压表V:量程3 V,内阻约3 kΩ
E.直流电源E:电动势3 V,内阻很小
F.开关S,导线若干
(2)正确接线后,将压敏电阻置于待测压力下,通过压敏电阻的电流是
1.33 mA,电压表的示数如图丙所示,则电压表的读数为 V。
(3)此时压敏电阻的阻值为 Ω;结合图甲可知待测压力的大小
F= N。(计算结果均保留两位有效数字)
解析 (1)根据题述对实验电路的要求,应该采用分压式接法、电流表内接的电路,原理图如图所示。
(2)根据电压表读数规则,电压表读数为2.00 V。
(3)由欧姆定律,此时压敏电阻的阻值为 ,由题图甲可知,对应的待测压力F=60 N。
答案 (1)见解析图 (2)2.00 (3)1.5×103 60
变式训练2(2020安徽太和一中学调研)为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系,某同学用如图甲所示的电路进行实验,得出两种U-I图线,如图乙所示。
(1)根据U-I图线可知正常光照射时光敏电阻的阻值为 Ω,强光照射时电阻为 Ω。
(2)若实验中所用电压表的内阻约为5 kΩ,毫安表的内阻约为100 Ω,考虑到电表内阻对实验结果的影响,此实验中 (选填“正常光照射时”或“强光照射时”)测得的电阻误差较大。若测量这种光照下的电阻,则需将实物图中毫安表的连接方式采用 (选填“内接”或“外接”)法进行实验,实验结果较为准确。
解析 (1)光敏电阻的阻值随光照的增强而减小,结合题图乙知正常光照射
(2)实验电路采用的是毫安表内接法,测得的结果比真实值偏大,当待测电阻远大于毫安表内阻时实验误差较小,所以强光照射时误差较大;强光照射时采用毫安表外接法实验结果较为准确。
答案 (1)3 000 200 (2)强光照射时 外接
三
利用传感器制作简单的自动控制装置
1.敏感元件:相当于人的感觉器官,直接感受被测量,并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量。
2.转换元件:也称为传感元件,通常不直接感受被测量,而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。
3.转换电路:是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量,如电压、电流等。
例3(2020全国卷Ⅲ)已知一热敏电阻当温度从10 ℃升至60 ℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆,某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材:电源E、开关S、滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100 Ω)。
(1)在所给的器材符号之间画出连线,组成测量电路图。
(2)实验时,将热敏电阻置于温度控制室中,记录不同温度下电压表和毫安表的示数,计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA,则此时热敏电阻的阻值为 kΩ(保留2位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图(a)所示。
(a)
(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下,测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2 kΩ。由图(a)求得,此时室温为 ℃(保留3位有效数字)。
(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器,其电路的一部分如图(b)所示。图中,E为直流电源(电动势为
(b)
10 V,内阻可忽略);当图中的输出电压达到或超过6.0 V时,便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50 ℃,则图中 (选填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻,另一固定电阻的阻值应为 kΩ(保留2位有效数字)。
解析 本题属于创新性实验题,通过传感器的控制作用,考查考生的实验设计能力。
(1)滑动变阻器的阻值远小于热敏电阻的阻值,滑动变阻器使用分压接法;电压表为理想电表,所以电流表使用外接法。
(2)根据欧姆定律,热敏电阻的阻值为 =1.8 kΩ。
(3)由题图(a)可得,2.2 kΩ对应的温度为25.5 ℃。
(4)输出电压即R2两端电压达到或超过6.0 V时报警器报警,即R2两端电压应随温度升高而变大,因为该热敏电阻R随温度升高而变小,由串联电路分压规律知R1为热敏电阻;由题图(a)可得,50 ℃对应的热敏电阻阻值为0.8 kΩ,另一固定电阻R2两端的电压为6 V时,R1两端的电压为4 V,则R2= R1=1.2 kΩ。
答案 (1)如图所示。
(2)1.8
(3)25.5
(4)R1 1.2
方法技巧 传感器问题的分析思路:不同类型的传感器,其工作原理一般不同,但所有的传感器都是把非电学量的变化转换为电学量的变化。因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变化。
类型 工作原理 举例
物理 传感器 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息 压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等
化学 传感器 利用化学反应识别和检测信息 气敏传感器、湿敏传感器等
生物 传感器 利用生物化学反应识别和检测信号 酶传感器、组织传感器、细胞传感器等
变式训练3如图所示是电饭煲的电路图,S1是一个温控开关,手动闭合后,当此开关温度达到居里点(103 ℃)时,会自动断开。S2是一个自动温控开关,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 Ω,加热电阻丝R3=50 Ω,两灯电阻不计。
(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
解析 (1)电饭煲接上电源,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。水烧干后,温度升高到“居里点”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,如此循环。
(3)如果不闭合开关S1,开始S2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,功率降为P2;温度降低到70 ℃,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 (1)见解析 (2)12∶1 (3)见解析(共49张PPT)
第1节 常见传感器的工作原理
第5章
2021
学习目标
1.知道什么是传感器,感受传感器的作用和意义。(物理观念)
2.知道光敏元件、热敏元件和磁敏元件,了解它们的用途。(科学思维)
3.知道非电学量转换成电学量的技术意义。(科学思维)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、初识传感器
1.传感器:能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置。
2.传感器功能:传感器通常用在自动测量和自动控制系统中,担负着信息
采集和转化任务,把非电学量转化为电学量。
想一想为什么传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量呢
提示 电学量具有易测量,易控制,测量精度和速度较高,易放大、反馈、存储和可远距离传输等特点。特别是电信号能方便地与计算机连接而进行信息处理,所以传感器一般都是将感受到的非电学量转换成电学量。
二、敏感元件
1.光敏元件
(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。当光照射到这些半导体物质上时,会激发半导体内部受束缚的电子,其电阻值就会发生改变。光照越强,被激发的电子数就越多,电阻值就越小。
2.热敏元件
(1)热敏电阻
热敏电阻是利用半导体的电阻会随温度的变化而变化的特性制成的。
(2)两种热敏电阻:在工作温度范围内,电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻;电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。
3.磁敏元件
(1)霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。
(2)霍尔元件可将磁感应强度的测量转化为电压的测量。
想一想热敏电阻和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吗
提示 热敏电阻和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。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)传感器的作用是将电学量转换为非电学量。( )
解析 传感器的作用是将非电学量转换为电学量。
答案 ×
(2)白炽灯泡是传感器。( )
解析 白炽灯泡不是传感器。
答案 ×
(3)监测天气变化的气象卫星用到了传感器。( )
答案 √
(4)所有传感器的工作原理都一样。( )
解析 不同的传感器的原理不同,但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化。
答案 ×
(5)传感器内部一定有某种转换元件。( )
答案 √
2.(2020徐州一中检测)下列有关传感器的说法正确的是( )
A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号
B.楼梯口的电灯开关装的两种传感器是热敏电阻和光敏电阻
C.电子秤所使用的测力装置是力传感器
D.半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高,它的电阻值越大
解析 话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号,故A错误;楼梯口的电灯开关装的两种传感器是声敏电阻和光敏电阻,故B错误;电子秤所使用的测力装置是力传感器,故C正确;有些半导体热敏电阻的阻值随温度的升高而降低,故D错误。
答案 C
3.(2021江苏东台检测)有一电学元件,温度升高时电阻却大幅度地减小,则这种元件使用的材料可能是( )
A.金属导体 B.绝缘体
C.半导体 D.超导体
解析 金属导体的电阻随温度的升高而增大,超导体的电阻几乎为零,有些半导体的阻值随温度的升高而减小。故选C。
答案 C
课堂篇 探究学习
问题一
初识传感器
【情境探究】
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。
(1)这种传感器是什么传感器
(2)它的输入信号是什么
(3)它的输出信号是什么
要点提示 (1)这种传感器是声电传感器;
(2)它输入的是声信号;
(3)输出的是电信号。
【知识点拨】
非电学量→电学量
1.传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。
2.传感器的工作原理如下所示:
非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量
画龙点睛 (1)传感器的发展十分迅速,其品种已达数万种,我们学习了解的只是最基本的几种而已。(2)不能认为传感器输出的一定是电信号。
【典例剖析】
例1(2020云南宾川四中月考)传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量,其工作过程可能是( )
A.将力学量(如形变量)转换成磁学量 B.将电学量转换成热学量
C.将光学量转换成电学量 D.将电学量转换成力学量
解析 传感器是指能够感受诸如力、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控制电路的通断的一类元件,故只有C项正确。
答案 C
变式训练1(2020黑龙江大庆四中月考)当你走近某些宾馆、写字楼的大门时,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 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D正确。
答案 D
问题二
光敏元件
【情境探究】
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。
(1)当光被产品挡住时,R1电阻怎样变化
(2)当光被产品挡住时,电路中电流怎样变化
(3)当光被产品挡住时,R2两端电压怎样变化
(4)此光电计数器为什么能计数
要点提示 (1)增大;
(2)减小;
(3)减小;
(4)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。
【知识点拨】
光照强弱→电阻
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,于是导电性能明显增强。
2.光敏电阻特性验证实验设计
(1)实验器材:光敏电阻、多用电表、导线、开关。
(2)实验步骤
①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接,
测光敏电阻的阻值,如图所示;
②手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上,挡住部分光线,再测光敏电阻的阻值;
③全部挡住光线,再测光敏电阻的阻值。
(3)实验结论:光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值的变化是非线性的。
画龙点睛 由光敏电阻的特性曲线可以看出,当入射光线增强时,光敏电阻的阻值减小,流过光敏电阻的电流增大。
【典例剖析】
例2(多选)(2020江西南昌检测)如图所示是用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器,下列说法中正确的是( )
A.严重污染时,LDR是高电阻
B.轻度污染时,LDR是高电阻
C.无论污染程度如何,LDR的电阻不变,阻值大小由材料本身因素决定
D.该仪器的使用会因为白天和晚上受到影响
解析 严重污染时,透过污水照到LDR上的光线较少,LDR电阻较大,A对,B错;LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,C错;白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,D对。
答案 AD
规律方法 光敏电阻的特点
1.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2.光敏电阻器是利用半导体的光敏效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。入射光增强,电阻减小;入射光减弱,电阻增大。
变式训练2(多选)(2020河南信阳一高质检)
如图所示是某居住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.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压升高
B.当有人通过而遮住光线时,A、B之间电压降低
C.当仅增大R2的阻值时,可增大A、B之间的电压
D.当仅减小R2的阻值时,可增大A、B之间的电压
解析 R1是光敏电阻,当有人通过而遮住光线时,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项错误,B项正确;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项正确;当减小R2的阻值时,电路中的电流增大,A、B间的电压U减小,故D项错误。
答案 BC
问题三
热敏元件
【情境探究】
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。
(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
要点提示 (1)由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,表针将向左偏;(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,表针将向右偏。
【知识点拨】
温度→电阻
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.光敏电阻、热敏电阻特点对比
元件 特点
光敏 电阻 半导体材料受到的光照增强时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
热敏 电阻 对于负温度系数的热敏电阻,温度升高时,有更多的电子获得能量成为自由电子,于是导电性明显地增强,电阻减小
画龙点睛 热敏电阻与金属热电阻的区别
元件 热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化而变化且非常明显 电阻率随温度的升高而增大
制作材料 半导体 金属导体
优点 灵敏度好 化学稳定性好,测温范围大
作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
【典例剖析】
例3(2021山西寿阳一中检测)
如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图,其中RT为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)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RT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 当RT处出现火情时,热敏电阻的阻值将减小,则此时电路中的总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的总电流增大,路端电压将减小,所以R1两端的电压增大,并联部分的电压减小,通过R2的电流I变小,所以显示器的电流I变小,报警器的电压U变小,故选B。
答案 B
规律方法 含有热敏电阻的电路的动态分析顺序
变式训练3(2020福建南安侨光中学检测)
如图所示,R为定值电阻,RT为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时( )
A.R两端的电压增大 B.电流表的示数增大
C.小灯泡的亮度变强 D.小灯泡的亮度变弱
解析 RT与小灯泡并联后再与R串联,和电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻RT的阻值增大,外电路电阻增大,电流表示数变小,R两端电压减小,小灯泡两端电压增大,小灯泡亮度变强,故C正确,A、B、D错误。
答案 C
问题四
磁敏元件
【情境探究】
霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。霍尔元件是磁传感器,是实际生活中的重要元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F的恒定电流I,现在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,其中元件中的载流子为带负电的电荷。
(1)霍尔元件能够把磁学量转换为什么量
(2)左、右表面的电势哪个表面高
(3)如果用该元件测赤道处的磁场,保持平面呈水平状态有电压产生吗
(4)如果在霍尔元件中的电流大小不变,则左右表面的电势差与磁场的磁感应强度成正比吗
要点提示 (1)霍尔元件能够把磁学量转换为电学量;
(2)由于元件中的载流子为带负电的电荷,则负电荷的运动方向由F到E,由左手定则可知负电荷向左表面偏转,则右表面的电势高;
(3)如果用该元件测赤道处的磁场,由于地磁场与水平面平行,因此如果霍尔元件的平面保持水平,则无电压产生;
【知识点拨】
磁感应强度→电压
1.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
2.霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件。一般用于电机中测定转子转速,如录像机的磁鼓,电脑中的散热风扇等,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。
画龙点睛 霍尔元件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1 MHz),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
【典例剖析】
例4(多选)(2021黑龙江双鸭山一中检测)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由正电荷的定向运动形成。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 当正电荷定向运动形成电流时,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 ,保持电流I恒定时,霍尔电压UH与B成正比,选项D正确。
答案 BCD
规律方法 霍尔元件的应用
1.将霍尔元件放在磁场中,外部磁场就会使运动的载流子受到洛伦兹力的作用,在导体板的一侧聚集一种电荷,在导体板的另一侧相应出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场。
2.横向电场对载流子施加与洛伦兹力方向相反的电场力,当电场力与洛伦兹力达到平衡时,导体板的左右两侧形成稳定的电压,即qE=qvB,此方程是解决涉及霍尔效应问题的重要依据。
3.明确载流子是带正电还是带负电,并利用左手定则判断载流子的受力方向。
变式训练4(多选)
如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,相对于一个霍尔元件d、k为定值,如果保持电流I恒定,则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是( )
A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,UH将变大
B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平
D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化
解析 一个磁极靠近霍尔元件工作面时,B增强,由 知UH将变大,A正确;地球两极处磁场可看作与地面垂直,所以工作面应保持水平,B正确;赤道处磁场可看作与地面平行,所以工作面应保持竖直,C错误;若磁场与工作面夹角为θ,则应有qvBsin θ= (l为霍尔元件的宽度),可见θ变化时,UH将变化,D正确。
答案 ABD
随堂检测
1.(2020湖北宜昌检测)如图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图。罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管接收不到LED发出的光,呈现高电阻状态,发生火灾时,下列说法正确的是( )
A.进入罩内的烟雾遮挡了光线,使光电三极管电阻更大,检测电路检测出变化发出警报
B.发生火灾时,光电三极管温度升高,电阻变小,检测电路检测出变化发出警报
C.发生火灾时,进入罩内的烟雾对光有散射作用,部分光线照到光电三极管上,电阻变小,发出警报
D.以上说法均不正确
解析 由报警器的原理可知,发生火灾时烟雾进入罩内,使光发生散射,部分光线照在三极管上,电阻变小,与传感器相连的电路检测出这种变化,发出警报,C正确。
答案 C
2.(多选)(2020福建龙海二中学期末)电容式话筒的工作原理如图所示。D是绝缘支架,薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器,被直流电源充电,当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流。当膜片向右运动的过程中有( )
A.电容变大
B.电容变小
C.导线AB中有向左的电流
D.导线AB中有向右的电流
解析 当膜片向右运动的过程中,相当于电容器两板间距d变小,由
可知,选项A正确,B错误;由Q=CU知,电容器充电,选项C正确,D错误。
答案 AC
3.如图所示,实线是某同学利用力传感器悬挂一钩码在竖直方向运动时,数据采集器记录下的力传感器中拉力的大小变化情况。从图中可知道该钩码的重力约为 N,A、B、C、D四段图线中钩码处于超重状态的为 ,处于失重状态的为 。
解析 当拉力的大小不变时,力传感器悬挂的钩码在竖直方向是匀速运动,此时力传感器的读数就是钩码的重力,约10 N。当力传感器读数大于重力时,钩码处于超重状态,即A、D状态。当力传感器读数小于重力时,钩码处于失重状态,即B、C状态。
答案 10 A、D B、C
4.一般的电熨斗用合金丝作发热元件,合金丝电阻随温度T变化的关系如图中实线①所示。由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同,熨斗的散热功率不同,因而熨斗的温度可能会在较大的范围内波动,易损坏衣物。
有一种用“PTC”特殊材料(主要成分为BaTiO3)作发热元件的电熨斗,具有升温快、能自动控制温度的特点。PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。
根据图线解答:
(1)为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快
(2)通电一段时间后电熨斗温度T自动地稳定在 解析 由题图知,PTC元件在T0~T6温度内,电阻随温度升高而减小,在电源电压一定时电功率增大,故升温快;当温度超过T6时,电阻随温度升高迅速增大,电功率减小,当发热功率小于散热功率时,温度不升反降,直到发热功率等于散热功率时,温度可保持在一定的范围内不变,即可控制在T6~T7范围之内。
答案 (1)冷态时PTC电阻小,电功率大,所以升温很快 (2)T6 T7(共35张PPT)
第2节 科学制作:简单的自动控制装置
第5章
2021
学习目标
1.了解与传感器技术相关的物理知识。(科学思维)
2.会设计并制作光报警装置和温度报警装置。(科学探究)
3.通过实验,会利用传感器制作简单的自动控制装置。(科学探究)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、实验目的和器材
1.实验目的:(1)设计并制作光报警装置;(2)设计并制作温度报警装置;(3)了解制作报警装置的工作原理。
2.实验器材:光敏电阻、热敏电阻、温度计、干电池、手电筒、蜂鸣器、开关、导线、变阻器。
想一想热敏电阻和光敏电阻各有什么特点
提示 温度变化,热敏电阻的阻值改变;光照越强,光敏电阻的阻值越小。
二、设计并制作光报警装置
1.光报警装置电路图如图所示,根据实验原理图组装电路,要求光报警器在一定亮度下报警。
2.光报警器工作原理:R为光敏电阻,R的阻值随光照强度的增强而减小,当R变小时,回路的总电阻R总变小,根据 得,干路中的电流变大,蜂鸣器两端的电压U=I总RS变大,当蜂鸣器两端的电压增大到某一值时,装置报警。
想一想某市为了节约能源,合理地使用路灯,要求路灯夜晚亮、白天熄,利用半导体的某种特性制成自动点亮、熄灭的装置,实现了自动控制。这是利用半导体的什么特性
提示 题目中半导体应能感知光照强度变化,并输出电信号,控制电路通断,所以利用了半导体的光敏性。
三、设计并制作温度报警装置
1.温度报警装置电路图如图所示,根据实验原理图组装电路,要求温度报警器在一定的温度下报警。
2.温度报警器工作原理:RT为负温度系数热敏电阻,RT的阻值随温度的升高而减小,当RT变小时,回路的总电阻R总变小,根据 得,干路中的电流变大,蜂鸣器两端的电压U=I总RS变大,当蜂鸣器两端的电压增大到某一值时,装置报警。
想一想如图所示,此温度自动报警器的原理是什么
提示 此温度自动报警器的原理是当温度达到一定值时,温度计内水银上升,因为水银是导体,控制电路会接通,电磁铁产生磁性,将衔铁吸引,报警电路接通,电铃响,起到报警作用。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)通常的传感器可以直接用来进行自动控制。( )
解析 传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的,不能直接用来进行自动控制。
答案 ×
(2)传感器可以用来采集信息。( )
答案 √
(3)传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量。( )
答案 √
(4)传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量。( )
解析 传感器是将感受到的非电学量转换为电学量的仪器,不同的传感器感受不同的信号,比如:光敏电阻在有光照射时,电阻会变小。
答案 ×
2.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
解析 题中提到有光照或温度升高时排气扇都能自动启动,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满足光照或温度升高一个条件即可,选项A、C、D错误,选项B正确。
答案 B
3.在输液时,药液有时会从针口流出体外,为了及时发现,设计了一种报警装置,电路如图所示。M是贴在针口处的传感器,接触到药液时其电阻RM发生变化,导致S两端电压U增大,装置发出警报,此时( )
A.RM变大,且R越大,U增大越明显
B.RM变大,且R越小,U增大越明显
C.RM变小,且R越大,U增大越明显
D.RM变小,且R越小,U增大越明显
答案 C
课堂篇 探究学习
问题
自动控制电路的分析与设计
【情境探究】
如图所示是自动水位报警的示意图,其中继电器的线圈通过电流时,磁铁吸引衔铁1,使它与触头3断开,与触头2接触。若要求水位正常时绿灯亮,高出一定水位时红灯亮,现有红、绿灯泡各一个。
(1)红灯泡应安在什么位置
(2)绿灯泡应安在什么位置
要点提示 (1)水位正常时,线圈中没有电流,衔铁1与触头3接触,这时应绿灯亮,所以绿灯泡应安在A位置;
(2)当高出一定水位时,线圈中有电流,磁铁吸引衔铁1,使它与触头3断开,与触头2接触,这时应红灯亮,所以红灯泡应安在B位置。
【知识点拨】
设计两电路,分析合理性
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,又通过电磁继电器相关联,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。
【典例剖析】
例题 (2020江西赣州期中联考)某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表,他所选用的器材有:灵敏电流表(待改装),学生电源(电动势为E,内阻不计),滑动变阻器,单刀双掷开关,导线若干,导热性能良好的防水材料,标准温度计,PTC线性热敏电阻RT(PTC线性热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为RT=a+kt,a>0,k>0)。
设计电路图如图所示,并按如下步骤进行操作。
(1)按电路图连接好实验器材。
(2)将滑动变阻器滑片P滑到 (选填“a”或“b”)端,单刀双掷开关S掷于 (选填“c”或“d”)端,调节滑片P使电流表 ,并在以后的操作中保持滑片位置不动,设此时电路总电阻为R,断开电路。
(3)容器中倒入适量开水,观察标准温度计,每当标准温度计示数下降5 ℃,就将开关S置于d端,并记录此时的温度t和对应的电流表的示数I,然后断开开关。请根据温度表的设计原理和电路图,写出电流与温度的关系式
I= (用题目中给定的符号)。
(4)根据对应温度记录的电流表示数,重新刻制电流表的表盘,改装成温度表。根据改装原理,此温度表表盘刻度线的特点是:低温刻度在 (选填“左”或“右”)侧,刻度线分布是否均匀 (选填“是”或“否”)。
解析 (2)分析电路可知滑动变阻器为限流式接法,所以闭合开关前,使它的阻值处于最大值状态,即将滑片P滑到a端。为了设计表盘刻度,应使开关掷于c处,调节滑片,使电流表满偏。
(4)因为RT=a+kt(且a>0,k>0),所以温度越低,电阻越小,回路中I越大,所以低温刻度在右侧,由(3)中关系式可知电流与温度不是线性关系,所以刻度线分布不均匀。
答案 (2)a c 满偏 (3) (4)右 否
规律方法 由题可知,该实验的原理是利用闭合电路的欧姆定律,测出不同温度条件下通过电阻的电流,然后将电流与温度相对应,把电流表改装为温度计。结合该原理,需要先选取电路中合适的变阻器电阻值,然后测定不同温度下的电流,最后标注即可。
变式训练小明利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻RT安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图甲中继电器的供电电压U1=3 V,继电器线圈用漆包线绕成,其电阻R0为30 Ω。当线圈中的电流大于等于50 mA时,继电器的衔铁将被吸合,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
甲
乙
(1)由图乙可知,当环境温度为40 ℃时,热敏电阻阻值为 Ω。当环境温度升高时,热敏电阻阻值将 ,继电器的磁性将 (均填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱 相连,指示灯的接线柱D应与接线柱 相连(均填“A”或“B”)。
(3)图甲中线圈下端P的磁极是 (填“N”或“S”)极。
(4)请计算说明,环境温度在什么范围内时,警铃报警。
解析 (1)分析乙图可知,热敏电阻40 ℃对应的阻值为70 Ω。温度升高时,热敏电阻阻值减小,根据欧姆定律可知,电路中电流增大,电磁铁的磁性增大。
(2)当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响,所以警铃的接线柱C应与接线柱B相连,指示灯的接线柱D应与接线柱A相连。
(3)分析电流的流向,根据安培定则可得到线圈的下端P的极性是S极。
(4)当线圈中的电流I=50 mA=0.05 A时,继电器的衔铁将被吸合,警铃报警。控制电路的总电阻为 。热敏电阻为RT=R总-R0=60 Ω-30 Ω=30 Ω,由图乙可知,此时t=80 ℃,即当温度t≥80 ℃时,警铃报警。
答案 (1)70 减小 增大 (2)B A (3)S (4)环境温度大于等于80 ℃时,警铃报警。
随堂检测
1.(2020河北重点中学检测)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 由图可知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。
答案 A
2.下列情况不可能是由于水位控制装置损坏引起的是( )
A.洗衣机不加水
B.洗衣机加水不能自动停止
C.洗衣机不排水
D.洗衣机不洗衣
解析 洗衣机水位控制装置正常,才能正常加水,且加到合适的水位,若损坏可能导致一直不加水或一直不停地加水,所以A、B可能,而这两种情况都会导致洗衣机洗衣程序不工作,所以D可能,故选C。
答案 C
3.(2020北京西城期末)下列器件是应用力传感器的是( )
A.鼠标器 B.火灾报警器
C.测温仪 D.电子秤
解析 鼠标器中的传感器是红外线接收管,属于光传感器;火灾报警器中传感器是光电三极管,属于光传感器;测温仪用的是温度传感器;电子秤的敏感元件是应变片,是力传感器,D正确。
答案 D
4.如图所示是继电器的原理图,当在接线柱2、3间接入电源时,电磁铁便将衔铁P吸离A而与B接触,从而达到控制电路的目的,接线柱 与接有电源的负温度系数热敏电阻串接,接线柱 与外电路串接,即可在温度过高时切断外电路,实现对外电路的自动控制。
解析 A为常闭触点,正常情况下与衔铁P相吸;B为常开触点,正常情况下与衔铁P分离,因此,1、5与外电路相连,以便加热。当温度越来越高时,电磁铁将衔铁P吸下,以切断电路。所以,2、3应与接有电源的热敏电阻相连。
答案 2、3 1、5
5.(2020安徽蒙城一中质检)如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在小车上,C为小车的车轮。D为与C同轴相连的齿轮,车轮转动时,A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B接收并转换成电信号,由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间的脉冲数为n,累积脉冲数为N。试完成下列问题。
(1)要测出小车的速度和行程,还必须测量
的物理数据有哪些
(2)推导小车速度的表达式。
(3)推导小车行程的表达式。
解析 (1)小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积。所以还要测量车轮的半径R和齿轮的齿数P。(共30张PPT)
第3节 大显身手的传感器
第5章
2021
学习目标
1.了解传感器应用的一般模式。(物理观念)
2.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。(科学思维)
3.理解传感器在洗衣机水位控制、自动感应门、指纹识别器、机器人中的工作原理。(科学探究)
思维导图
课前篇 自主预习
【必备知识】
一、自动感应门
1.组成:红外线传感器。
2.工作原理:人体发出的红外线,经红外感应器入射窗的滤光片后,聚焦到感应器的电子元件上。热电元件感知温度上升后,会因为热电效应释放电荷,使电路中的电阻、电流、电压等电学量发生变化。由此,红外传感器便把门前有无人的非电学信息转换成可识别的电学信息了。
3.自动门工作流程
想一想在电梯门口放置一障碍物,会发现电梯门不停地开关,这是由于在电梯门上装有什么传感器
提示 在电梯门口放置一障碍物,电梯门不停地开关,说明电梯门口有一个光传感器。
二、洗衣机水位控制
1.全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器。
2.组成:外筒和内筒、气室、传感器的膜盒。
3.工作原理:当洗衣机筒内的水位达到设定标准时,气体压强增大,使传感器的膜片向上凸起,凸起的膜片使动触点与静触点脱离,并与另外一个静触点接触,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。
想一想洗衣机水位控制装置损坏可能导致哪些现象
提示 洗衣机水位控制装置正常,才能正常加水,且加到合适的水位,若损坏可能导致一直不加水,或一直不停地加水或加足水后洗衣机仍然不洗衣。
三、指纹识别器
1.组成:电容传感器。
2.工作原理:当用户的手指放在绝缘表面时,皮肤便组成了电容阵列极板的另一面。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同,使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不相同。通过读取这些电容的差异,就能够获取指纹信息。
想一想指纹识别器是怎样实现对指纹的识别
提示 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。
四、机器人
1.机器人传感器的分类
机器人传感器分为外部传感器和内部传感器。
2.传感器用途
(1)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,使机器人拥有类似人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉,从而使机器人具有拟人化的特点。
(2)内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的
状态。
【自我检测】
1.正误判断(判定结果为错误的小题请写出原因)
(1)全自动洗衣机水位控制装置应用了红外线传感器。( )
解析 全自动洗衣机水位控制装置应用了压力传感器。
答案 ×
(2)压力传感器是将压力信号转变为电信号,常见有电子秤。( )
答案 √
(3)自动门应用了压力传感器。( )
解析 自动门应用了红外线传感器。
答案 ×
(4)红外线传感器接收携带着信息的红外线,转换成电信号,从而得知辐射源的相关参数或信息。( )
答案 √
2.(2020广东执信中学检测)传感器的种类多种多样,其性能也各不相同。空调机在室内温度达到设定的温度后,会自动停止工作,空调机内使用的传感器是( )
A.生物传感器 B.红外传感器
C.温度传感器 D.压力传感器
解析 空调机根据温度调节工作状态,所以内部使用了温度传感器,故C正确。
答案 C
课堂篇 探究学习
问题一
传感器与自动控制
【情境探究】
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。
(1)传感器由哪几部分组成
(2)你所了解的敏感元件有哪些
要点提示 (1)传感器主要由敏感元件和转换元件组成;
(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。
【知识点拨】
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,从而使动触点与下面的静触点分离,并与上面的静触点接触,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。
画龙点睛 涉及压力传感器应用问题,其基本原理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。
【典例剖析】
例1(2021福建三明第一中学期中)如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时,红外光敏电阻R3受到红外线照射,电阻减小;门关闭会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验,灯的亮灭能反映门的开、关状态。门打开时两灯的发光
情况以及R2两端电压UR2与门关闭时相比( )
A.红灯亮,UR2变大
B.绿灯亮,UR2变大
C.绿灯亮,UR2变小
D.红灯亮,UR2变小
解析 门打开时R3减小,导致R总减小和I总增加,Ur和UR1变大,UR2=E-(UR1+Ur)减小, =I总- 增加,电磁继电器磁性增强把衔铁拉下,红灯亮,绿灯灭,选项A、B、C错误,选项D正确。
答案 D
规律方法 传感器与自动控制问题
利用传感器中的敏感元件与电路结合分析,要把握两点:(1)明确组成传感器的敏感元件的特性。(2)注意电路的结构及串、并联的分析计算方法。
变式训练1(2020浙江杭州二中模拟)如图是测量汽车质量的地磅示意图,汽车的质量可通过电流表的示数读出,下列说法正确的是( )
A.电流表的示数越大说明被测汽车质量越大
B.电流表的示数越大说明被测汽车质量越小
C.把图中的电流表换成电压表同样能测量汽车的质量
D.地磅的最大量程只由弹簧的劲度系数决定,与电路的有关参数无关
解析 汽车质量越大,弹簧受到的压力就越大,P点越向下,连入电路的电阻就越小,所以电流表的示数就越大,故A正确,B错误;如果换成电压表,因为电压表的内阻较大,所以滑动变阻器的阻值发生变化时,电压表的示数变化范围较小,不能准确地测量,故C错误;因为通过滑动变阻器的阻值变化,将力信号转换成了电信号,所以D错误。
答案 A
问题二
传感器系统在机器人中的作用
【情境探究】
2021年4月3日消息,宁夏首个机器人微创手术中心成立,引进世界最先进手术机器人。机器人是自动控制机器的俗称,自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的
机械(如机器狗、机器猫等)。在当代工业中,机器人指能自动执行任务的人造机器装置,用以取代或协助人类工作。理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物,目前科学界正在向此方向研究开发。
机器人安装的传感器和人类感官有怎样的相对应关系
要点提示 光电传感器——视觉;声电传感器——听觉;气敏传感器——嗅觉;化学传感器——味觉;压敏、温敏、流体传感器——触觉。
【知识点拨】
传感器系统在机器人中起着非常重要的作用,是机器人的感觉器官,可以分为外部传感器和内部传感器。
1.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。外部传感器包括视觉传感器(相当于眼睛),超声波传感器和语音识别装置(相当于耳朵),温度传感器(相当于皮肤),压力传感器、位移传感器和温度传感器(相当于手),嗅觉、味觉传感器等。
2.内部传感器(如角度传感器、关节传感器等)用于检测机器人自身的状态。
画龙点睛 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)。
【典例剖析】
例2(多选)(2021吉林调研)下列传感器中机器人能应用到的传感器是( )
A.视觉传感器 B.位移传感器
C.压力传感器 D.语言识别装置
解析 视觉传感器相当于机器人的“眼睛”,压力传感器、位移传感器使机器人有了“感觉”,语言识别装置相当于机器人的“耳朵”,故选A、B、C、D。
答案 ABCD
规律方法 传感器与机器人感觉对应表
感觉 所用传感器 效果 当前发展水平
视觉 视觉传感器(摄像机) 使机器人拥有人眼的视觉功能 离自然人的视觉水平相差甚远
听觉 超声波传感器、语音识别装置 使机器人拥有类似人耳的听觉功能 能理解一些简单的语句,不能真正实现人机对话
嗅觉 气体传感器 使机器人拥有类似人鼻的功能 只能识别有限的几种气体,一般机器人没有嗅觉
触觉 压力传感器、温度传感器、位移传感器 使机器人拥有类似人的皮肤和手的功能 发展水平较高,虽不如人的感觉敏锐,但能完成大部分要求
变式训练2(2021河北石家庄期末)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
解析 遇到障碍物会绕开,说明它是光传感器,B正确,A、C、D错误。
答案 B
随堂检测
1.机器人技术发展迅速,以下哪方面是现有的机器人不能很好完成的 ( )
A.汽车工业中自动焊接领域 B.深水探险
C.艺术体操和与人对话 D.机械加工
解析 现有的机器人技术限于制造工艺、计算机技术和传感器技术,还很难达到人对肢体的控制能力,其动作精确但较僵硬,语音识别能力还很差,在其他几个方面机器人都有上佳表现。
答案 C
2.(2021河北邢台质检)为了节约能源,合理适时地使用路灯,要求路灯昼熄夜亮,利用半导体的某种特性制成自动点亮熄灭的装置,实现了自动控制。这是利用半导体的( )
A.压敏性 B.光敏性
C.热敏性 D.三种特性都利用了
解析 由题意可知,这一装置要对光敏感,能区分白天(光线强)与夜晚(光线暗),所以选B。虽然白天与夜晚温度也不相同,但温度除与昼夜有关外,还与季节有关,因此不能选C。灯亮熄与压力更无关系,A、D错。
答案 B
3.日光灯启动器的结构如图所示,将启动器与灯泡、电源、开关连在一起,闭合开关时,灯泡将( )
A.不亮
B.一直亮
C.亮、灭交替
D.以上都有可能
解析 启动器中有一个U形的双金属片,与旁边的直立金属丝构成一对触点,常温下是分离的。闭合开关后,电源电压通过灯泡加到启动器上,启动器发出辉光,同时加热双金属片,达到设定温度时,双金属片膨胀而与金属丝接触,接通电路,灯泡亮。因接通后启动器电压为零,启动器停止发光,温度降低到一定值时,触点分开,断开电路,灯泡熄灭,将重复以上过程。
答案 C
4.在机场、车站、码头等人员集散地都设有体温检测点,为什么测体温时一般不用水银温度计,而用红外线测温仪
答案 用水银温度计测温时间长,同时又容易引起交叉感染,用红外线测温仪测温速度快,也不需要与人体直接接触,避免了交叉感染,因此用红外线测温仪较好。
