(共40张PPT)
1 认识传感器
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
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。
2.知道将非电学量转化为电学量的意义。
3.知道传感器的组成与应用模式。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、神奇的传感器
1.传感器的定义。
能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量,并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
2.非电学量转换为电学量的意义。
把非电学量转换为电学量,可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
二、传感器的种类
1.物理传感器:利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器,如力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。
2.化学传感器:利用电化学反应原理,把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器,如离子传感器、气体传感器等化学传感器。
3.生物传感器:利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器,如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等生物传感器。
微思考1在门口前面放置一障碍物,会发现门不停地开关,这是由于在门上装有什么传感器
提示:在门口前面放置一障碍物,门不停地开关,说明门口有一个光传感器。
三、传感器的组成与应用模式
1.传感器的组成。
(1)传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。
(2)敏感元件是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分;转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。
(3)如果敏感元件直接输出的是电学量,它就同时兼为转换元件。例如,热电偶、压电晶体等都是这种敏感元件和转换元件二者合一的传感器。
2.信号调整与转换电路。
被测非电学量信号经敏感元件和转换元件作用后,所输出的电信号一般都很微弱,难以带动执行机构去实现控制动作,因此要通过信号调整与转换电路把这个电信号放大。如果需要远距离传送,还要把它转换成其他电信号以抵御外界干扰。
3.传感器应用的一般模式。
微思考2当你走近某些宾馆、酒楼的大门时,门会自动为你打开;当你走进门之后,门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将哪种外界信息转换为有用的信息
提示: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。
课堂·重难突破
一 传感器的种类
重难归纳
1.人的感觉器官与传感器的类比。
2.生活中常见传感器。
3.分类。
种类 工作原理 举例
物理传 感器 利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息 力传感器、磁传感器、声传感器等
化学传 感器 利用电化学反应识别和检测信息 离子传感器、气体传感器等
生物传 感器 利用生物活性物质的选择性来识别和检测信号 酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等
如图所示的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。该机器人“眼睛”用的是什么传感器
提示:该传感器可以作为机器人的眼睛,则说明它应是通过感光原理来确定障碍物的,故应为光传感器。
典例剖析
【例1】 一台电风扇,只有白天有人接近时,电风扇才转动,实现这一功能所需要的传感器为( )
A.声传感器和温度传感器 B.光传感器和红外线传感器
C.温度传感器和触发传感器 D.声传感器和触发传感器
答案:B
解析:白天电风扇才转动和光传感器有关;有人接近时,电风扇才转动,与人体向外辐射的红外线有关,是红外线传感器,选项B正确。
学以致用
1.交通警察用来检测驾驶员酒精含量的检测器使用的传感器是( )
A.温度传感器 B.压力传感器
C.湿度传感器 D.气体传感器
答案:D
二 传感器的工作原理
重难归纳
1.传感器的核心元件。
(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)信号调整与转换电路:将转换元件输出的电学量放大或转换成易于测量的电学量,如电压、电流等。
2.传感器的工作原理。
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,传感器的工作原理如下所示:
非电学量→敏感元件→转换元件→信号调整与转换电路→电学量
如图电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导体层内形成一个低电压交流电场,在触摸屏幕时,由于人体是导体,手指与内部导体层间会形成一个特殊电容(耦合电容),四边电极发出的电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极的距离成正比,位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置。
由以上信息,思考:(1)电容式触摸屏的两个极板分别是什么 (2)手触摸屏幕如何改变了电容的大小 (3)该传感器将什么物理量转变为电信号
提示:(1)电容式触摸屏在原理上把人的手指当作一个电容器元件的一个极板,把导体层当作另一极板。(2)手指和屏的接触面积大小会影响到电容大小,接触面积越大,即两极板的正对面积越大,电容越大。(3)将手指对屏的压力转变为电信号。
典例剖析
【例2】 (2023·陕西榆林高二期末)下列关于传感器的说法正确的是( )
A.金属热电阻是一种可以将热学量转换为电学量的传感器
B.电饭锅是通过压力传感器实现温度的自动控制
C.干簧管是一种能够感知电场的传感器
D.火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了压力传感器
答案:A
解析:金属热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化来测量温度的一种温度敏感元件,是可以将热学量转换为电学量的传感器,选项A正确;电饭锅是通过温度传感器实现温度的自动控制,选项B错误;干簧管是一种能够感知磁场的传感器,选项C错误;火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了光传感器,在发生火灾时有烟雾挡住了光传感器接收光源,选项D错误。
规律总结
对传感器的进一步理解。
(1)不同的传感器的原理不同,但都是通过敏感元件感受被测非电学量的。
(2)传感器输出的可能为电流、电压、电路通断等,不一定是电压。
(3)敏感元件只是传感器的一个关键部分,并不一定就是一个完整的传感器。
学以致用
2.图甲为一种家用门磁防盗报警器,由磁条和主机组成,门窗均可使用。乙图为其简化示意图,安装时,将磁条固定在门框上,主机安装在与其等高的门板边缘,门关上时,两者刚好靠在一起。当主机开关闭合时,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声。下列有关说法正确的是( )
A.触发器内是一个开关,当主机与磁条靠近时,开关是断开的
B.触发器可以由铜制成
C.磁条的两极对调后,该报警器不能正常工作
D.本装置是利用电流的磁效应工作的
答案:A
解析:门关上时,磁条与主机刚好靠在一起,此时报警器不工作,说明电路是断开的;当主机开关闭合时,若门被打开,磁条与主机分离,主机内的触发器就会工作,带动报警器发出报警声,说明此时触发器内开关是闭合的,选项A正确。触发器与磁条之间存在磁力的作用,所以触发器不可能是铜制成的,因为铜没有磁性,选项B错误。无论磁条哪个磁极靠近触发器,都存在磁力作用,所以两极对调后,该报警器仍能正常工作,选项C错误。本装置是利用磁体能够吸引磁性物体的特点工作的,选项D错误。
随 堂 训 练
1.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
答案:C
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,故只有选项C正确。
2.右图是电容式话筒的示意图,它是利用电容制作的传感器,话筒的振动膜表面镀有薄薄的金属层,膜后相距几十微米处有一金属板,金属板和振动膜上的金属层构成电容器的两极板,在它们之间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,导致话筒所在电路中的其他量发生变化,声音信号被话筒转化为电信号。导致电容变化的原因可能是电容器( )
A.两板间的距离变化 B.两板的正对面积变化
C.两板间的介质变化 D.两板间的电压变化
答案:A
解析:人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使金属层与金属板间的距离发生变化,引起电容变化,使声音信号被话筒转化为电信号,选项A正确,B、C、D错误。
3.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机,洗手后将湿手靠近,机内的传感器就开通电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作,是因为( )
A.改变湿度
B.改变温度
C.改变磁场
D.改变电容
答案:D
解析:手靠近干手机后,使电容式传感器的电容改变,干手机内的电热器工作。
4.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程,下列属于这类传感器的是( )
A.红外报警装置
B.走廊照明灯的声控开关
C.自动洗衣机中的压力传感装置
D.电饭煲中控制加热和保温的温控器
答案:A
解析:红外报警器是当有人或物通过时,将红外线遮住从而使得光信号被遮住,光电效应装置无电流通过,红外报警器则通过另外的装置做出一定的动作,是将光信号转换为电信号的过程,选项A正确。而选项B是将声音信号转换为电信号的过程。选项C是利用压力来传递信息的过程。选项D是通过温度来控制的过程。
5.关于传感器,下列说法不正确的是( )
A.传感器是将非电学量转化为电学量的装置
B.压力传感器是将力学量转化为电学量的装置
C.话筒中的传感器将电信号转化成声音信号
D.传感器广泛应用于信息采集系统
答案:C
解析:传感器是这样一类元件:它能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成电信息的器件或装置,即将非电学量转化为电学量的元件,选项A正确。压力传感器就是将力学量转化为电学量的装置,选项B正确。话筒中的传感器是声传感器,它将声音信号转化成电信号,而不是将电信号转化成声音信号,选项C错误。传感器应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,选项D正确。(共70张PPT)
2 常见传感器的工作原理及应用
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.了解光敏电阻的性能、工作原理及作用。
2.了解金属热电阻和热敏电阻的性能、工作原理及作用。
3.了解电阻应变片的性能、工作原理及作用。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、光敏电阻
1.材料:半导体材料,例如硫化镉。
2.特点:光照越强,电阻越小。
3.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,导电性能差;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。
4.作用:把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
5.应用:光电计数器自动计数,装置如图所示。
当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值较小,供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时,光敏电阻的阻值变大,供给信号处理系统的电压变高,这种高低交替变化的信号经过处理,就会转化为相应的数字,实现自动计数的功能。
微思考 将一只光敏电阻接到多用电表的两端,电表置于倍率为100的欧姆挡。在室内自然光的照射下,电阻值很大;在强光的照射下,电阻值很小。换用一只普通的电阻,小心地把电阻表面的漆涂层除去一些,使里面的导电膜露出来接受光照。对普通电阻重复对光敏电阻的操作,结果相同吗
提示:不相同。普通电阻的阻值与光照的强度无关。
二、金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻。
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。图甲为某金属导线电阻的温度特性曲线。
2.热敏电阻。
热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,有些热敏电阻温度升高电阻减小,图乙为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。
3.注意: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。
微探究 某同学准备用一种热敏电阻制作一只电阻温度计。他先通过实验描绘出一段该热敏电阻的I-U曲线,如图甲所示,再将该热敏电阻RT,与某一定值电阻串联接在电路中,用理想电压表与定值电阻并联,并在电压表的表盘上标注温度值,制成电阻温度计,如图乙所示。探究下面问题:(1)温度升高时,该热敏电阻的阻值怎样变化 (2)图乙中电压表的指针偏转角大小,与温度高低有什么关系 (3)若热敏电阻的阻值随温度均匀变化,则表盘上标注温度刻度是否是均匀的
提示:(1)I-U图像上的点与原点连线的斜率的倒数表示电阻,由题图甲可知,I越大,电阻越小,而温度越高,则热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。(2)温度越高,RT阻值越小,热敏电阻RT与定值电阻R串联接在电路中,电路中电流越大,R的电压越大,电压表的指针偏转角越大,因此电压表的指针偏转角越大,温度值越高。(3)若热敏电阻的阻值随温度线性变化,由闭合电路欧姆定律得 可知电路中电流I随温度是非线性变化的,由电压表的示数U=IR可知,U随温度是非线性变化的,因此表盘标注温度刻度一定是不均匀的。
三、电阻应变片
1.电阻应变效应。
金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象,称为金属的电阻应变效应。金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。
2.电阻应变片及类型。
电阻应变片是利用电阻应变效应制成的,它是一种使用广泛的力敏元件,能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两种类型。
3.力传感器的应用——电子秤。
(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。
微判断(1)金属热电阻随温度的升高导电能力增强,它的化学稳定性好,测量范围大。( )
(2)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。( )
(3)应变片是由导体材料制成。( )
(4)当金属应变片的表面拉伸时,其电阻变大;反之,变小。
( )
×
√
×
√
课堂·重难突破
一 观察光敏电阻特性
重难归纳
【实验目的】
通过实验了解光敏电阻的特性。
【实验原理】
闭合电路的欧姆定律,用多用电表进行测量和观察。
【实验器材】
光敏电阻、普通电阻、多用电表、导线。
【实验步骤】
1.在室内自然光照射下,用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接,测光敏电阻阻值,如图所示。并记录电阻值。
2.用手张开(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,并记录电阻值。
3.全部挡住光线,再测光敏电阻的阻值,并记录电阻值。
4.换用一只普通电阻,小心地把它的漆层去除一些,使里面导电膜露出来接受光照。
5.先在室内光照射、再遮挡部分光线、然后全部挡住光线,分别测量普通电阻的阻值。
【数据处理】
观察记录的电阻值,分析光敏电阻和普通电阻的特性。
【实验结论】
光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大,而且阻值变化是非线性的。普通电阻的阻值与光照强弱没有关系。
典例剖析
【例1】 (多选)下图是用光敏电阻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
答案:AD
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,选项A正确,B错误。LDR由半导体材料制成,受光照影响电阻会发生变化,选项C错误。白天和晚上自然光强弱不同,或多或少会影响LDR的电阻,选项D正确。
学以致用
1.(多选)下图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
答案:BC
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,故选项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,故选项C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,故选项D错误。
二 金属热电阻和热敏电阻
重难归纳
1.热敏电阻与金属热电阻的对比。
分类 热敏电阻 金属热电阻
特点 负温度系数的热敏电阻,电阻率随温度的升高而减小 电阻率随温度的升高而增大
R-T图像 (负温度系数的热敏电阻)
分类 热敏电阻 金属热电阻
制作材料 半导体 金属
导电原理 自由电子和空穴等载流子 自由电子的定向移动
优、缺点 灵敏度较好 化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差
作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 2.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,即载流子数增多,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,即载流子数增多,于是导电性明显地增强,电阻减小
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。若在RT上擦一些酒精,表针将如何偏转 若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转
提示:由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,阻值增大,表针将向左偏;用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,阻值减小,表针将向右偏。
典例剖析
【例2】下图是一火灾报警器的一部分电路示意图,其中R2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
答案:B
解析:当R2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,路端电压将减小,报警器的电压U减小;电路中的总电流增大,所以R1两端的电压增大,由于路端电压减小,则并联部分的电压减小,通过R3的电流I变小,所以显示器的电流I变小,选项B正确。
特别提醒
含有热敏电阻的电路的动态分析顺序。
学以致用
2.如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡。当温度降低时( )
A.R1两端的电压增大
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
答案:C
解析:R2与小灯泡并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2的阻值增大,外电路电阻增大,电流表示数变小,R1两端电压减小,小灯泡两端电压增大,小灯泡亮度变强,故选项C正确,A、B、D错误。
三 观察热敏电阻特性
重难归纳
方案1:(简易实验)将多用电表的选择开关调到电阻挡(注意选择适当的倍率),将一只热敏电阻(负温度系数)连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻的温度 ,观察电阻的变化情况。
实验结果:随着温度的升高,热敏电阻的阻值在减小。
方案2:
【实验原理】
热敏电阻的电阻率会随着温度的升高而变化。
【实验器材】
半导体热敏电阻(负温度系数)、多用电表、温度计、铁架台、烧杯、凉水和热水。
【实验步骤】
1.按实验原理图甲安装好实验器材,将热敏电阻绝缘处理;当烧杯中水温发生变化时,热敏电阻的阻值将发生相应变化。
2.把多用电表置于欧姆挡,并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值,并记下温度计的示数。
3.向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。
4.将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值,并记录。
【数据处理】
在图乙所示坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。
【实验结论】
热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,随温度的降低而增大。
【注意事项】
实验时,加热水后要等一会儿再测热敏电阻阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温。
典例剖析
【例3】某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材:直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特征,请你在图甲中的实物图上连线。
(2)实验的主要步骤:
①正确连接电路,在保温容器中注入适量冷水,接通电源,调节并记录电源输出的电流值;
②在保温容器中添加少量热水,待温度稳定后,闭合开关,记录 和 的数值,断开开关;
③重复第②步操作若干次,测得多组数据。
(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值,并据此绘得如图乙所示的R-t关系图像,请根据图像写出该热敏电阻的R-t关系式:R= + t(Ω)(保留3位有效数字)。
答案:(1)如图所示。
(2)温度计 电压表 (3)100 0.400
解析:(2)水温改变后,热敏电阻的阻值会变化,在电流不变的情况下,电压表的示数随之改变。每次待温度稳定后,闭合开关,需要记录温度计和电压表的数值。
(3)从题图乙知R与t成线性关系,且纵轴上截距(当t=0 ℃时) R=100 Ω;当t=10 ℃时,R=104 Ω;当t=70 ℃时R=128 Ω,所以斜率 ,所以R=100+0.400t(Ω)。
特别提醒
按热敏电阻随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻,正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大,负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。
学以致用
3.传感器担负着信息采集的任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量),例如热敏传感器,主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻,某种热敏电阻阻值随温度变化的图线如图甲所示,图乙是由该热敏电阻RT作为传感器制作的简单自动报警器的线路图。
(1)为了使温度过高时报警器响铃,c应接在 (选填“a”或“b”)处。
(2)若使启动报警器的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P向
(选填“左”或“右”)移动。
(3)如果在调试报警器最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路不能正常工作的原因可能是 。(写出一种可能即可)
答案:(1)a
(2)左
(3)电源提供的电流太小,导致电磁铁的磁性太弱;弹簧的劲度系数太大,电磁铁的吸引力小于弹力
解析:(1)根据题图甲可得,该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,为了使温度过高时报警器响铃,则应选择电磁铁将衔铁吸下时电路接通,即c应该接在a处。
(2)若使启动报警器的温度提高些,则相当于减小临界状态时热敏电阻的阻值,为了使电路中电流仍等于刚好接通时的电流,应增大滑动变阻器接入电路的阻值,则应将滑动变阻器滑片P向左移动。
(3)在最低报警温度时不能报警,说明此时电路中产生的电流不能使衔铁与a接触,这可能由多种原因造成,如:①电源提供的电流太小,导致电磁铁的磁性太弱;②弹簧的劲度系数太大,电磁铁的吸引力小于弹力等。
四 电阻应变片、电容式位移传感器、霍尔元件
重难归纳
1.应变式力传感器。
(1)应变式力传感器的构造。
如图所示,应变式力传感器由金属梁和应变片组成。其中,应变片是一种敏感元件。
(2)应变式力传感器的工作原理。
如上图所示,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变大,下表面应变片的电阻变小。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,则上表面应变片两端的电压变大,下表面应变片两端的电压变小。因此可得,力F越大,输出的电压差值就越大。
2.电容式传感器。
(1)工作原理。
电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化,这种电容器称为电容式传感器。
(2)常见电容式传感器。
种类 传感器 原理
测定角度θ的电容式传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时,引起极板正对面积S的变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的电容式传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放入导电液体中,导线芯和导电液体构成电容器的两个极,导线芯外面的绝缘物质就是电介质,液面高度h发生变化时,引起正对面积发生变化,使电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道h的变化情况
种类 传感器 原理
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候,膜片发生形变,使极板间距离d发生变化,引起电容C的变化,知道C的变化,就可以知道F的变化情况
测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化,电容C发生变化,知道C的变化,就可以知道x的变化情况
3.霍尔元件。
(1)霍尔元件的工作原理:E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现电压(如图所示)。
(2)霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡。
(3)霍尔电压:UH= (d为薄片的厚度,k为霍尔系数)。当电流I一定时,UH与B成正比,所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量。
图甲表示某力敏元件的阻值R随所受压力变化的情况。把这个力敏元件与秤台、电池、电流表组合起来(图乙),用力敏元件作为承重的载体,把电流表的刻度改为相应的质量刻度,就得到了一个简易电子秤。那么,mA与mB对应物体的质量哪个应标在电流较大的刻度上 物体的质量与电流是否是线性关系
提示:根据R-m关系可知
R=R0-km
可知,物体质量与电流是非线性关系,且m越大,I越大,即mB对应的物体质量应标在电流较大的刻度上。
典例剖析
【例4】下图为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路。当压力F作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流表指针偏转。在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流表指针偏转情况为(电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏)( )
A.向右偏到某一刻度后回到零刻度
B.向左偏到某一刻度后回到零刻度
C.向右偏到某一刻度后不动
D.向左偏到某一刻度后不动
答案:A
解析:压力F作用时,极板间距d变小,由 ,电容器电容C变大,又根据Q=CU,极板的电荷量变大,所以电容器充电,灵敏电流计中通过由正接线柱流入的电流,所以指针将右偏。极板保持固定后,充电结束,指针回到零刻度。选项A正确。
特别提醒
电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系,将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量。
学以致用
4.(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是
( )
A.应变片是由导体材料制成的
B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大;反之变小
C.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大,输出的电压值也越大
答案:BD
解析:应变片多用半导体材料制成,选项A错误。当应变片拉伸时,其电阻变大,选项B正确。传感器输出的是上、下两应变片上的电压差值,并且随着外力的增大,输出的电压差值越大,选项C错误,D正确。
随 堂 训 练
1.(多选)有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数,下列说法正确的是( )
A.置入热水中与不置入热水中相比,
欧姆表示数变化较大的一定是热敏电阻
B.置入热水中与不置入热水中相比,
欧姆表示数不变化的一定是定值电阻
C.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数变化较大的一定是光敏电阻
D.用黑纸包住与不用黑纸包住相比,欧姆表示数相同的一定是定值电阻
答案:AC
解析:热敏电阻的阻值随温度的变化而变化,定值电阻和光敏电阻的阻值不随温度发生变化,故选项A正确,B错误。光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照强度的变化而变化,故选项C正确,D错误。
2.如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时,表针的偏角为θ;现用手掌挡住部分光线,表针的偏角为θ',则可判断( )
A.θ'=θ B.θ'<θ
C.θ'>θ D.不能确定
答案:B
解析:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,选项B正确。
3.将如图所示装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中,使杆沿轨道方向固定,就可以对火车运动的加速度进行检测。闭合开关S,当系统静止时,穿在光滑绝缘杆上的小球停在O点,固定在小球上的滑片P停在滑动变阻器BC的正中央,此时,电压表指针指在表盘刻度中央。当火车在水平方向有加速度时,小球在光滑绝缘杆上移动,滑片P随之在滑动变阻器上移动,电压表指针发生偏转。已知,当火车向左加速运动时,电压表的指针向右偏。则( )
A.电压表指针向左偏,说明火车可能在向右做加速运动
B.电压表指针向右偏,说明火车可能在向右做加速运动
C.电压表指针向左偏,说明火车可能在向右做减速运动
D.电压表指针向左偏,说明火车可能在向左做加速运动
答案:A
解析:因为当火车向左加速运动时,有向左的加速度,弹簧处于伸长状态,滑片P靠近滑动变阻器C端,电压表的指针向右偏,所以,当滑片P靠近滑动变阻器B端时,电压表的指针将向左偏,此时,弹簧将处于压缩状态,火车具有向右的加速度,火车可能在向右做加速运动,也可能在向左做减速运动,选项A正确,C、D错误。同理可知,选项B错误。
4.下图是自动控制电路的原理图,a、b间电压恒定,R1为光敏电阻,R2为定值电阻。当电路中的光敏电阻不受光的照射时用电器可以正常工作。
(1)当光敏电阻受光的照射时,其阻值和电流表的示数如何变化
(2)当光敏电阻受光的照射时,用电器工作状态怎样
答案:(1)减小 减小 (2)停止工作
解析:受光照射时,光敏电阻的阻值会减小为原来的 ,所以当光照射时电路总阻值变小,干路电流增大很多,R2两端电压增大很多,并联部分的电压变得很小,用电器停止工作,电流表示数变得很小。(共48张PPT)
3 利用传感器制作简单
的自动控制装置
实验热点 探究突破
实验探究 方案梳理
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实验探究 方案梳理
实验1 门窗防盗报警装置
实验目的
了解门窗报警装置的控制原理,会组装门窗防盗报警器。
实验器材
序号 名称 规格型号 数量
1 干簧管SA 常开型 1
2 继电器 JQX-14FC 5 V 1
3 发光二极管LED 绿色 1
4 电阻R 330 Ω 1
5 蜂鸣器H 有源型 1
6 电源 干电池6V 1
7 小磁体 1
8 开关 1
实验原理
闭合电路开关S,系统处于防盗状态。当门窗紧闭时,磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K,使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通,发光二极管LED发光,显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时,磁体离开干簧管,干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通,蜂鸣器H发声报警。干簧管在电路中起传感器和控制开关的作用,继电器则相当于一个自动的双向开关。实验原理图如图所示。
实验步骤
(1)连接电路前,要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管,观察簧片能否正常动作。
(2)确定各元件可以正常工作后,连接电路。
(3)接通电源后,将磁体靠近和离开干簧管,分别观察实验现象。
注意事项
安装前,对实验器材进行测试,确保各元件性能良好后,再进行安装。
实验2 光控开关
实验目的
了解光控开关电路及控制原理,会组装光控开关。
实验器材
序号 名称 规格型号 数量
1 可调电阻R1 最大电阻为51 kΩ 1
2 限流电阻R2 330 Ω 1
3 光敏电阻RG 暗电阻>1 MΩ 亮电阻<3 kΩ 1
4 三极管VT 8 050 1
5 发光二极管LED 红色 1
6 继电器 HRS1H-S 5 V 或JQX-14FC 5 V 1
7 小灯泡L 6 V 0.3 A 1
8 二极管D IN4001 1
9 电源 干电池6 V 1
实验原理
当环境光比较强时,光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,发光二极管或继电器所在的回路相当于断路,即发光二极管不工作;继电器处于常开状态,小灯泡L不亮。
当环境光比较弱时,光敏电阻RG的阻值变大,三极管导通,且获得足够的基极电流,产生较大的集电极电流,点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。实验原理图如图所示。
实验步骤
(1)连接电路,检查无误后,接通电源。
(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射,调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。
(3)遮挡RG,当光照减弱到某种程度时,就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。
(4)让光照加强,当光照强到某种程度时,则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。
注意事项
(1)安装前,对实验器材进行测试,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。
(3)如果实验现象不明显,可用手电筒加强光照,或遮盖光敏电阻,再进行观察。
实验热点 探究突破
热点1 电磁继电器工作原理与应用
典例剖析
【例1】 继电器的原理图如图所示,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的热敏电阻串接,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。
答案:2、3 1、5
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。当温度过高时,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。
学以致用
1.如图所示,A是浮子,B是金属触头,C为住宅楼房顶上的蓄水池,M是带水泵的电动机,D是弹簧,E是衔铁,F是电磁铁,S1、S2分别为触头开关,S为开关,J为电池。请利用上述器材,设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置。
(1)连接电路图。
(2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)。
答案:(1)电路图如图所示。
(2)按图接好电路,闭合开关S,水泵工作,水位升高,当浮子A上升使B接触到S1时,左侧电路(控制电路)工作,电磁铁F有磁性,拉下衔铁E,使S2断开,电动机M不工作,停止注水。当水位下降,使B与S1脱离,左侧电路停止工作,电磁铁F无磁性,弹簧D的弹力拉动衔铁E,使S2接通,电动机M工作。
热点2 光控开关的工作原理与应用
典例剖析
【例2】光敏电阻在自动化装置中有很多应用,街道路灯自动控制就是其应用之一,图示电路为其模拟电路,其中干电池的内阻可忽略不计,A处接电磁继电器,B为三极管(当φe-φb≥0.2 V时,c、e间的电阻R可忽略不计,当φe-φb<0.2 V时,R可视为无穷大),b点的电势由R1与R2的比值决定,R1、R2中有一个是定值电阻,另一个是光敏电阻,阻值随光照强度增强而减小,C为电磁继电器,D为路灯。为了达到日出路灯熄,日落路灯亮的效果,请回答下列问题:
(1)R1是 (选填“光敏电阻”或“定值电阻”)。
(2)请用笔画线代替导线,将实物连接成正确的电路。
答案:(1)光敏电阻
(2)如图所示
解析:(1)由于光敏电阻阻值随着光照强度的增大而减小,为使路灯正常工作,在白天时电磁继电器的触点断开,电磁铁通电,φe-φb≥0.2 V,R1变小或R2变大,而白天时光敏电阻阻值变小,所以R1是光敏电阻。
(2)根据题述分析可知,A处与继电器相连,路灯与火线、零线相连接,开关应接在火线上,画导线时要避免交叉,电路图如答案图所示。
学以致用
2.工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时,稍有不慎就会把手压在里面,造成工伤事故。工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。
下图为光控继电器的示意图,它由电源、光电管(当有光照射时,在阴极K端会放出电子)、放大器、电磁继电器等组成。这样,当工人不慎将手伸入危险区域时,由于遮住了光线,光控继电器衔铁位置立即变化,使机床停止工作,避免事故发生。光控继电器的原理:当光照射光电管时,________________。
答案:阴极K发射电子,电路中产生电流,经放大器放大后的电流使电磁铁M磁化,将衔铁N吸住
热点3 自动控制电路的设计
典例剖析
【例3】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R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。
(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
(以上两空选填“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(以上两空选填“A”或“B”)。
(3)图甲中线圈下端P的磁极是 (选填“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。
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。
解析:(1)分析题图乙可知,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的磁极是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 =60 Ω。热敏电阻为R=R总-R0=60 Ω-30 Ω=30 Ω,由题图乙可知,此时t=80 ℃,即当温度t≥80 ℃时,警铃报警。
规律方法
设计自动控制电路时,一般按照以下思路进行:
(1)根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路。
①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。
②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。
学以致用
3.某同学用光敏电阻和电磁继电器等器材设计自动光控照明电路。
(1)下图中左侧为电磁继电器的构造示意图,其中L为含有铁芯的线圈,P为可绕O点转动的衔铁,K为弹簧,S为一对触头,A、B、C、D为四个接线柱。工作时,应将 (选填“A、B”或“C、D”)接照明电路。
(2)请在图中用笔画线代替导线,完成实物电路的连接。
答案:(1)C、D
(2)如图所示
解析:(1)由电磁继电器的工作原理可知,电磁铁连接的是控制电路,衔铁连接的是工作电路,故工作时,应将“C、D”接照明电路。
(2)光敏电阻、定值电阻、开关、电源与L组成控制电路,C、D与灯泡组成工作电路,电路图如答案图所示。
随 堂 训 练
1.下图是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。闭合开关,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。与门关闭时相比,门打开时两灯的发光情况以及R2两端的电压U2变化情况分别是
( )
A.红灯亮,U2变大 B.绿灯亮,U2变大
C.绿灯亮,U2变小 D.红灯亮,U2变小
答案:D
解析:闭合开关,门打开时,R3的阻值减小,导致总电阻R总减小和总电流I总增大,内电压Ur和R1两端的电压 U1均变大,R2两端的电压U2=E-(U1+Ur)减小,通过R3的电流 增大,电磁继电器磁性增强,把衔铁吸下,红灯亮,绿灯灭,选项D正确。
2.下图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断路,电磁铁没有 ,上面的触点 , 灯亮;当水位升高到B时,电磁铁所在的控制电路接通,电磁铁有 ,吸引衔铁,上面的触点断开,下面的触点 , 灯亮。
答案:磁性 闭合 绿 磁性 闭合 红
解析:当电磁铁所在的控制电路断开时,电磁铁内无电流,所以没有磁性,此时右侧电路的绿灯连入电路;当水位升高后左侧电路接通,电磁铁内有电流,右侧电路的红灯连入电路。
3.气体传感器利用物质的化学反应将某种气体的浓度转换成电信号输出,如图所示,B为将可燃气体或有毒气体浓度转换为电信号的传感器,简称电子鼻。有如下器材:U=220 V的电源、排风扇M、继电器G、控制电源A、控制开关S。请设计一个家用自动排烟电路,并在图中完成连线。
答案:如图所示
解析:电磁继电器起开关作用,所以低压控制电源、气体传感器、开关和电磁继电器应组成一个电路,另一个是由排风扇和高压电源组成的电路。如答案图所示。
章末知识体系构建
知识体系构建
专题归纳突破
力
光
传送
处理
温度
力
光
敏感
转换
调整
转换
力
温度
光
电容
