(共26张PPT)
阶段复习课
第五章
知识体系构建
【核心速填】
①非电学量 ②压力 ③电容式 ④信息采集 ⑤升高 ⑥小 ⑦大
核心考点突破
一、
传感器工作原理及常见敏感元件
【典例1】如图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。
核心考点突破
(1)为了通过测量得到如图所示I-U关系的完整曲线,在图甲和乙两个电路中应选择的是图________;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)在如图丙所示电路中,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。?
【解析】(1)应选择图甲,因为图甲电路电压可从0调到所需电压,电压调节范
围大。
(2)由题图丙知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,故I2=I-
I1=(70-
×103)
mA=34
mA。由图像查得34
mA对应的电压为5.0
V,R2两端电压
U2=9
V-5.0
V=4.0
V,所以R2=
Ω≈117.6
Ω。
答案:(1)甲 见解析 (2)5.0 117.6
【方法技巧】
1.常见敏感元件及特性:
(1)光敏电阻:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化,光照增强电阻减小,光照
减弱电阻增大。
(2)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。热敏电
阻有正温度系数、负温度系数两种。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。
(3)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,UH=k
。
2.传感器电路的分析方法:
同电路的动态问题分析一样,先从部分到整体,再到部分。涉及电路的计算问题时,由于敏感元件变化的特性,所以找准对应时刻、位置等,把握图像的信息非常重要。
【素养训练】
(多选)当前传感器被广泛应用于各种电器、电子产品之中,下述关于常用的几种家用电子器件所采用传感器的说法中,正确的是
( )
A.电视机对无线遥控信号的接收主要是采用了光电传感器
B.电子体温计中主要是采用了温度传感器
C.电脑所用的光电鼠标主要是采用了声波传感器
D.电子秤中主要是采用了力传感器
【解析】选A、B、D。电视机对无线遥控信号的接收采用了光电传感器,将光信号转化为电信号,电脑所用的光电鼠标主要采用了光电传感器,所以A正确,C错误。电子体温计采用了温度传感器,将温度信号转化为电信号,电子秤主要采用压力传感器,将力信号转化为电信号,所以B、D正确。
【补偿训练】
(多选)在电脑的温度传感器材料中有一种特殊的热敏电阻,这种热敏电阻的阻值会在特定的温度下发生急剧变化。对于这种热敏电阻,下列说法正确的是( )
A.这种电阻会在温度达到特定数值时使得电路中的电流急剧变小
B.这种电阻会在温度达到特定数值时使得电路中的电流急剧变大
C.这种电阻可以用于特定温度的检测
D.这种电阻可以用于限定较小的温度范围
【解析】选C、D。不知道这种热敏电阻的阻值在特定温度下是变大还是变小,所以也就无法知道电路中的电流变大还是变小,选项A、B错误。根据这类热敏电阻的特性,可知选项C、D正确。
二、传感器在实际问题中的应用
【典例2】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分别为触头开头,S为开关,J为电池。请利用上述材料,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)。
【解析】(1)如图所示。
(2)按图接好电路,合上开关S,电动机工作,水位升高,当浮子上升使B接触到S1时,左侧电路(控制电路)工作,电磁铁F有磁力,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,电磁铁电路停止工作,F无磁性,弹簧的弹力使D拉动E,使S2接通,M工作。
答案:(1)见解析图 (2)见解析
【方法技巧】
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。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。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。
【素养训练】
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并输出,如图所示,B为将可燃气体或有毒气体(如CO、CH4、瓦斯、煤气等)浓度转换为电信号的传感器,俗称电子鼻。当有毒气体浓度大时,其电阻变小。根据如下材料:电源电压U=220
V,M为排风扇,G为继电器,A为控制电源,S为控制开关,请设计一个家用自动排烟电路,并在图中完成连线。
【解析】电磁继电器起开关作用,所以电池组、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。
答案:见解析图
【补偿训练】
现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求热敏电阻的温度达到或超过
60
℃时,系统报警,提供的器材有:热敏电阻,报警器(内阻很小,流过的电流超
过IC时就会报警),电阻箱(最大阻值为999.9
Ω),直流电源(输出电压为U,内阻
不计),滑动变阻器R1(最大阻值为1
000
Ω),滑动变阻器R2(最大阻值为
2
000
Ω),单刀双掷开关一个,导线若干。室温下对系统进行调节,已知U约为
18
V,IC约为10
mA;流过报警器的电流超过20
mA时,报警器可能损坏;该热敏电
阻的阻值随温度的升高而减小,在60
℃时阻值为650.0
Ω。
(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
(2)在电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)。?
(3)按照下列步骤调节此报警系统:
①电路接通前,需将电阻箱调到一定的阻值,根据实验要求,这一阻值为________
Ω;滑动变阻器的滑片应置于__________(选填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是______________________________。?
②将开关向________(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至______________________________________________________。?
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。
【解析】(1)电路图连线见答案图。(2)R=
Ω=1
800
Ω,所以在电路
中应选用滑动变阻器R2。(3)①由该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,在
60
℃时阻值为650.0
Ω可知,电路接通前,需将电阻箱调到一定的阻值,根据
实验要求,这一阻值为650.0
Ω;由于滑动变阻器采用限流接法,所以滑动变阻
器的滑片应置于b端附近,不能置于另一端的原因是接通电源后,流过报警器的
电流可能超过20
mA,报警器可能损坏;②将开关向c端闭合,缓慢移动滑动变阻
器的滑片,直至报警器开始报警。
答案:(1)连线如图所示
(2)R2 (3)①650.0 b 接通电源后,流过报警器的电流可能超过20
mA,报警器可能损坏 ②c 报警器开始报警(共37张PPT)
3.利用传感器制作简单的自动控制装置
实验自主学习
【实验目的】
1.了解门窗防盗报警装置和光控开关的工作原理。
2.练习用传感器制作自动控制设备。
【实验器材】
1.门窗防盗报警装置实验:
_______SA、继电器、发光二极管LED、电阻R
(330
Ω)、蜂鸣器
(有源型)、
干电池
(6
V)、小磁体
、开关。
2.光控开关实验:发光二极管、可调电阻R1(最大电阻为
51
kΩ)、限流电阻R2
(330
Ω)、_________(暗电阻>1
MΩ、亮电阻<3
kΩ)、_______VT、继电器、
小灯泡(6
V 0.3
A)、二极管D、干电池四节(6
V)、导线若干。
干簧管
光敏电阻
三极管
【实验原理与设计】
一、门窗防盗报警装置
1.实验的基本思想:
利用干簧管作为控制器实现:当门窗紧闭时,蜂鸣器___响,指示灯___;当门窗被
打开时,蜂鸣器发出声音报警,指示灯___。
2.实验电路图:
不
亮
灭
3.电路工作原理:
闭合电路开关S,系统处于_____状态。当门窗紧闭时,磁体M_____干簧管SA,干簧
管两个簧片被_____,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_____干簧管,干簧管失磁断开,继电器被_____。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_______和_________的作用,继电器
则相当于一个自动的双向开关。
防盗
靠近
磁化
离开
断电
传感器
控制开关
二、光控开关实验
1.实验的基本思想
利用_________作为光控开关实现在天色暗到一定程度时让路灯自动开启,而在
天明时自动_____。
2.实验电路图:
光敏电阻
熄灭
3.电路的关键元件及其工作原理:
(1)晶体三极管的结构和作用:
三极管由三个电极组成,分别是发射极e,______和集电极c,有NPN型和PNP型两
种。
三极管的一个重要特性是,从基极输入一个_____的电流,就会在集电极获得_____
的电流。晶体三极管具有电流_____作用,在控制电路中常用作电子开关。
基极b
较小
较大
放大
(2)电路工作原理:
甲电路图的工作原理:如甲中可调电阻R1
与光敏电阻RG组成串联分压电路,R2为发光二极管的限流电阻,用发光二极管LED模仿路灯。电路中光敏电阻RG因光照而发生电阻的变化,转换为电压的变化,加载到三极管VT的基极b上。当基极电压达到一定程度后,三极管被导通,从而使得由电源正极经电阻R2
、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。可调电阻R1的作用是调整设定电路对周边光亮度的反应,在电路中能够控制三极管的基极电流。如果把R1阻值调得更大些,就会在天更暗时才点亮路灯。
乙电路图的工作原理: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,且获得足够大的基极电流,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。
【实验过程】
实验步骤
1.门窗防盗报警装置实验步骤:
(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,观察簧片能否正常工作。
(2)确定各元件可以正常工作后,按照图甲所示电路图,连接乙实物图。
(3)闭合开关S,接通电源后,将磁体靠近干簧管,干簧管两个簧片被磁化接通继电器,c与a连接,二极管发光。
(4)磁体离开干簧管,衔铁c与b连接,蜂鸣器发声报警。
实验互动探究
2.光控开关实验步骤:
(1)按照图甲所示电路图,连接乙实物图。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。
【数据收集与分析】
1.门窗防盗报警装置:
2.光控开关实验:
【注意事项】
1.门窗防盗报警装置实验:
(1)安装前对电磁继电器进行测试,确保电磁继电器通电时能吸合,断电时在弹簧的作用下恢复原状。
(2)安装前对干簧管进行检测,观察磁体靠近时弹簧片是否接触,磁体离开时弹簧片是否能断开。
(3)选择合适的定值电阻,保证发光二极管能正常工作。
2.光控开关实验:
(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)二极管连入电路时,极性不能反接,否则继电器不能正常工作。
(3)要想天暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些。
【实验探究】
(1)三极管的特性是什么?
(物理观念)
提示:从基极输入一个较小的电流,就会在集电极获得较大的电流。此外,三极管还具有完成断路和接通的开关作用。
(2)光控电路中为什么在晚上时基极b上的电压增加呢?
(科学思维)
提示:在电路中可调电阻R1与光敏电阻RG组成串联分压电路,由于光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减少,在晚上时,光敏电阻的阻值增加,两端的电压也增加,光敏电阻两端的电压等于三极管基极b与发射极e两端的电压,当基极电压达到一定程度后,三极管被导通,从而使得由电源正极经电阻R2
、发光二极管、三极管集电极和发射极到达电源负极的回路被导通。
类型一
实验操作
【典例1】把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关(干簧管和绕在干簧管外的线圈组成)、电源连成电路如甲图所示,制成光电报警装置,设计要求:当有光照时,蜂鸣器发声,当没有光照或者光照很弱时,蜂鸣器不发声,电路已经连接一部分,请将电路完整连接好。
实验素养迁移
【解题探究】
(1)光敏电阻的特性是什么?
提示:光敏电阻受光照后,阻值会变小。
(2)如图乙是干簧管继电器开关,它的工作原理是什么?
提示:由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成,如图乙所示,当线圈中有一定的电流时,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态,当线圈中没有电流或者电流很微弱时,磁场消失,簧片在弹力的作用下回复到分离状态。
【解析】电池、光敏电阻与开关及干簧管继电器开关外面线圈的两个接线构成一个回路;而另一组电池、蜂鸣器与干簧管继电器开关里面的两个接线构成又一个回路。当有光照时,光敏电阻变小,使得干簧管继电器开关存在磁场,导致开关接通,最终使得蜂鸣器发声;若没有磁场时,开关自动断开。
答案:连线如图所示。
类型二
数据处理
【典例2】为了节能环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强,照度越大,照度单位为(lx)。
(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如表,根据表中已知数据,在如图甲所示的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。由图像可求出照度为1.0
lx时的电阻约为________
kΩ。?
照度/lx
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻/kΩ
5.8
3.7
2.8
2.3
1.8
(2)如图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路,利用直流电源为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电。为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,路灯应接在_____(选填“AB”或“BC”)之间,请用笔画线代替导线,正确连接电路元件。
(3)用多用电表“×10
Ω”挡,按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时,指针示数如图丙所示,则线圈的电阻为________Ω。已知当线圈中的电流大于或等于2
mA时,继电器的衔铁将被吸合。图中直流电源的电动势E=6
V,内阻忽略不计,滑动变阻器有三种规格可供选择:R1(0～10
Ω,2
A)、R2(0～200
Ω,1
A)、R3(0～1
750
Ω,0.1
A)。要求天色渐暗照度降低至1.0
lx时点亮路灯,滑动变阻器应选择________(选填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地________(选填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。?
【解析】(1)根据图像直接读出对应的照度为1.0
lx时的电阻约为
2.0
kΩ。
(2)光敏电阻的电阻值随光照强度的增大而减小,所以白天时光敏电阻的电阻值小,电路中的电流值大,衔铁将被吸住,静触点与C接通;晚上时的光线暗,光敏电阻的电阻值大,电路中的电流值小,所以静触点与A接通。所以要达到晚上灯亮,白天灯灭,则路灯应接在AB之间。电路图如图。
(3)欧姆表的读数是先读出表盘的刻度,然后乘以倍率,表盘的刻度是14,倍率是
“×10
Ω”,所以电阻值是14×10
Ω=140
Ω;天色渐暗照度降低至1.0
lx时点
亮路灯,此时光敏电阻的电阻值是2
kΩ,电路中的电流是2
mA,R′=
-R=
Ω-2
000
Ω=1
000
Ω,所以要选择滑动变阻器R3。由于光变暗时,光敏
电阻变大,分得的电压变大,所以为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地减小滑动
变阻器的电阻。
答案:(1)2.0 (2)AB 图见解析 (3)140 R3 减小
1.如图所示,将一光敏电阻连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,表针的偏角变为θ′,则可判断
( )
A.θ′=θ
B.θ′<θ
C.θ′>θ
D.不能确定θ和θ′的关系
课堂素养达标
【解析】选B。光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,开始时有光照射,光敏电阻的阻值较小,当用手掌挡住部分光线时,光敏电阻的阻值增大,因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧,所以用欧姆表测电阻时,阻值越大,表针偏角越小,所以选项B正确。
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吸合或释放,从而使C、D接通或断开,进而起到控制作用,故正确答案为A。
3.某仪器内部的电路如图所示,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成的弹簧相连,并套在光滑水平细杆上,a、b、c三块金属片间隙很小(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,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
【解析】选B。汽车匀速前进时a、b、c金属片不接触,所以甲、乙灯都不亮,当加速前进时,b与a接触,乙灯亮;当刹车时,b与c接触,甲灯亮,故选B。
4.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;
(3)请设想实验中可能会出现的问题。
【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=
(3)实验中可能会出现的问题有:
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。
答案:见解析
5.目前有些居民区内楼道灯的控制,使用的是一种延时开关。该延时开关的简化原理如图所示。图中D是红色发光二极管(只要有很小的电流通过就能使其发出红色亮光),R为限流电阻,K为按钮式开关,虚线框内S表示延时开关电路,当按下K接通电路瞬间,延时开关触发,相当于S闭合,这时释放K后,延时开关S约在1
min后断开,电灯熄灭。根据上述信息和原理图,我们可推断:
按钮式开关K按下前,发光二极管是________(选填“发光的”或“熄灭的”),按钮式开关K按下再释放后,电灯L发光持续时间约________
min。这一过程中发光二极管是________。限流电阻R的阻值和灯丝电阻RL相比,应满足R________RL的条件。?
【解析】开关K按下前,S为断开,有电流经过发光二极管,故发光二极管是发光的。当按下开关K后,延时开关S闭合,发光二极管和R被短路,发光二极管不发光,由于释放K后,延时开关S约1
min后断开,故电灯L能持续发光1
min,由于R为限流电阻,且发光二极管只要有很小的电流通过就能发光,且为了保证K按下前电灯不发光,故应满足R?RL。
答案:发光的 1 熄灭的 ?(共45张PPT)
第五章
传 感 器
1.认识传感器
2.常见传感器的工作原理及应用
课前自主学习
一、传感器及敏感元件
1.传感器:
(1)定义:能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等_________,并能把它们
按照一定的规律转换为便于传送和处理的电压、电流等_______,或转换为电路
_____的元件。
(2)意义:把非电学量转换为电学量,可以方便地进行_____、传输、处理和_____。
非电学量
电学量
通断
测量
控制
2.光敏电阻:
(1)特点:光照越强,电阻_____,光照越弱,电阻_____。
(2)原因:无光照时,载流子极少,导电性能_____;随着光照的增强,载流子_____,
导电性能_____。
(3)作用:把光照强弱这个光学量转换为_____这个电学量。
越小
越大
不好
增多
变好
电阻
3.热敏电阻和金属热电阻:
类型
比较项目
热敏电阻
(负温度系数)
金属热电阻
特 点
电阻率随温度的升高而_____
电阻率随温度的升高而_____
制作材料
半导体
_____
优 点
灵敏度好
化学稳定性好,测温范围大
作 用
将温度这个热学量转换为_____这个电学量
减小
增大
金属
电阻
4.霍尔元件:
(1)构造:在很小的半导体薄片上,制作四个电极E、F、M、N。
(2)霍尔电压: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=_______。
(3)作用:把磁感应强度这个磁学量转换为_____这个电学量。
电压
二、传感器的工作模式及几种传感器的实际应用
1.传感器的一般工作模式:
2.力传感器的应用——电子秤:
(1)组成及敏感元件:由金属梁和_______组成,敏感元件是_______。
(2)工作原理。
(3)作用:应变片将物体形变这个_______转换为_____这个电学量。
应变片
应变片
力学量
电压
课堂合作探究
主题一 传感器及敏感元件
任务1 什么是传感器
【生活情境】
干簧管、色标传感器、温度传感器及力传感器等都是生活和生产中常用的传感器。请结合上述传感器思考下列问题:
【问题探究】
(1)干簧管的工作原理及在电路中的作用是什么?
提示:干簧管内有两个软磁合金材料制成的簧片,条形磁体靠近它,簧片被磁化,导致两个相对的部分形成相反的磁极而吸合。起到感受磁场,使电路通断的作用。
(2)传感器最基本的作用是什么?传感器的工作原理是怎样的?
提示:传感器是指这样一类元件:它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并能把它们按照一定的规则,转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。
任务2 传感器的几种敏感元件
【实验情境】
如图为光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、霍尔元件等敏感元件。
【问题探究】
(1)光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、霍尔元件有什么不同?
元 件
特 性
原 因
光敏电阻
光照越强,电阻_____
光照增强,载流子_____,
电阻_____
金属热电阻
温度越高,电阻_____
温度升高,金属电阻率_____,
电阻_____
越小
增多
减小
越大
增大
增大
元 件
特 性
原 因
热敏
电阻
负温度系数
的热敏电阻
温度越高,电阻_____
温度升高,载流子_____,
电阻_____
正温度系数
的热敏电阻
温度越高,电阻_____
温度升高,载流子_____,
电阻_____
霍尔元件
在电流不变的情况
下,霍尔电压与磁感
应强度成_____
载流子在洛伦兹力的作用下,在与电流和磁场垂直方向聚集,形成霍尔电压
越小
增多
减小
越大
减少
增大
正比
(2)楼道灯,白天光线强时有声音灯也不亮,当夜晚光线暗时有声音灯才亮,试想,开关中有哪些敏感元件?各有什么作用?
提示:开关中有光敏元件和声敏元件。当光线强时,光控开关断开,即使声控开关闭合电路也不通,灯不亮。当光线暗时,光控开关闭合,当声控开关也闭合时电路才通,灯亮。
【结论生成】
1.敏感元件:(物理观念)
敏感元件指能够灵敏地感受被测量并做出响应的元件,是传感器中能直接感受被测量的部分。它是传感器的重要组成部分,敏锐地感受某种物理、化学、生物信息并将其转换为电信号。有些传感器,它的敏感元件与转换元件合并在一起。例如,半导体气体、湿度、温度和压力传感器等。
2.敏感元件的种类:(物理观念)
(1)光敏元件:电阻值随入射光(一般指可见光)强弱而变化的敏感元件。通常入射光增强时,电阻值减小。
(2)力敏元件:随外界压力改变而变化的敏感元件。力敏元件种类繁多,如电阻式力敏元件、电容式力敏元件、压电式力敏元件等。
(3)磁敏元件:一种磁电转换元件,包括霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管等。
(4)气敏元件:电参数随外界气体种类和浓度变化而变化的敏感元件。
(5)湿敏元件:随环境湿度变化而变化的敏感元件。
【典例示范】
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
【解题指南】解答本题应注意以下三点:
(1)温度传感器就是一只可变电阻。
(2)可变电阻的阻值随温度升高而减小,并且是阻值随温度线性变化。
(3)根据闭合电路的欧姆定律,建立起电阻与电流的关系,结合电阻与温度的关系,就能找到电流与温度的关系。
【解析】选C。R2与灯L并联后与R1串联,与电源构成闭合电路,当热敏电阻温度降低时,电阻R2增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,R1两端电压减小,灯L两端电压增大,灯泡亮度变强,故选项C正确。
【探究训练】
1.(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,所以是当开关来使用、作为控制元件以实现自动控制的。故C、D正确。
2.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。
【补偿训练】
(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,下列说法中正确的是( )
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
【解析】选A、C。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的变化而变化,故A正确,B错误;光敏电阻的阻值随光照的变化而变化,而定值电阻和热敏电阻的阻值不随光照的变化而变化,故C正确,D错误。
主题二 传感器的实例应用
【生活情境】
如图为电子秤、电熨斗、电饭锅,里面都含有传感器。
【问题探究】
(1)在电子秤测力时,应变片是如何把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量的?
提示:在电子秤中有一个弹簧钢制成的梁形元件,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。力F越大,弯曲形变越大,应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定,那么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。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大,输出的电压差值也就越大。这样就把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量。
(2)电熨斗中的双金属片是如何把温度这个热学量转换为电路的通断的?
提示: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,上层金属膨胀大,下层金属膨胀小,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。
(3)什么是感温铁氧体?分析它在电饭锅中起什么作用。
提示:电饭锅中应用的温度传感器,其主要元件是感温铁氧体。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,能够被磁体吸引,但是当温度上升到“居里温度”(约103
℃)时,就失去了磁性,不能被磁体吸引了。电饭锅中的温度传感器起限温开关的作用,手动闭合,当感温铁氧体的温度上升到“居里点”(约103
℃)时,开关自动断开,且不能自动复位,以此来控制电饭锅中的温度。
【结论生成】
1.传感器问题的分析思路:(科学思维)
传感器是将所感受到的非电学量(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.分析传感器问题的四点注意:(科学思维)
(1)非电学量分析:
要明确传感器所感受的非电学量变化,如力、热、光、磁、声等的变化。
(2)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:
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。
【典例示范】
(多选)利用光敏电阻制作的光传感器,记录了传送带上工件的输送情况。图甲为某工厂成品包装车间的光传感记录器,光传感器B能接收到发光元件A发出的光。每当工件挡住A发出的光时,光传感器就输出一个电信号,并在屏幕上显示出电信号与时间的关系,如图中乙所示。若传送带始终匀速运动,每两个工件间的距离为0.2
m,则下述说法正确的是
( )
A.传送带运动的速度是0.1
m/s
B.传送带运动的速度是0.2
m/s
C.该传送带每小时输送3
600个工件
D.该传送带每小时输送7
200个工件
【解析】选B、C。有工件通过时,挡住A射向光传感器B的光,传感器输出一个高电压,故知两相邻工件通过的时间差t=1
s,传送带的速度v=0.2
m/s。每小时输送工件3
600个。
【探究训练】
下列说法正确的是
( )
A.电饭锅中的温度传感器的主要元件是氧化铁
B.氧化铁在常温下具有铁磁性,温度很高时失去铁磁性
C.用电饭锅烧水,水开时能自动断电
D.用电饭锅煮饭时,若温控开关自动断电后,它不能自动复位
【解析】选D。电饭锅的主要元件为感温铁氧体,它在103
℃时失去铁磁性,选项A、B均错;用电饭锅烧水时,在标准大气压下,水温最高为100
℃,电饭锅不会自动断电,若无人控制,则会直到水全部蒸发后才会断电,选项C错;电饭锅开关自动断电后只能手动复位,选项D正确。
【补偿训练】
1.(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
【解析】选B、D。应变片多用半导体材料制成,故选项A错误;当应变片的表面拉伸时,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,故选项C错误,选项D正确。
2.动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象。图1是动圈式话筒的原理图,图2是磁带录音机的录音、放音原理图,由图可知下列选项叙述错误的是
( )
A.话筒工作时磁铁不动,线圈振动而产生感应电流
B.录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流
C.录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
D.录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
【解析】选C。话筒的工作原理是声波迫使金属线圈在磁场中振动产生感应电流,A正确。录音时,话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场,D正确。录音机在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流,经放大电路后再送到扬声器中,B正确,C错误。
【课堂小结】
1.关于传感器工作的一般流程,下列说法中正确的是
( )
A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件
B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量
C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量
【解析】
课堂素养达标
2.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D正确。
【补偿训练】
(多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好,其工作原理如图所示。Q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。在膜片向右运动的过程中
( )
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】选A、C。声波使膜片向右振动,MN间距减小,电容变大,A正确,B错误;MN间的电压不变,由Q=CU知Q变大,继续充电,则导线AB中有向左的电流,C正确,D错误。
3.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,某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,电流表示数的变化规律如图乙所示,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,电流I恒定,压敏电阻阻值不变,由重球的受力不变可知,小车可能做匀速或匀加速直线运动;在t1～t2内,电流I变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小车做变加速运动,选项A、B错误;在t2～t3内,电流I不变,压力恒定,小车做匀加速直线运动,选项C错误,选项D正确。
4.(多选)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,上层金属片形变较大,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,应使调温旋钮下调一些
D.由熨烫丝绸衣物状态转变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。常温时,通电电热丝能发热,所以上、下触点应是接触的,故A正确;双金属片上下金属片的膨胀系数不同,温度升高时,上层形变大,
双金属片向下发生弯曲,使电路断开,故B正确;原来温度上升到80
℃时,断开电源,现在要求60
℃时断开电源,弹性铜片与触点接触面积要减小,应逆时针调节调温旋钮,即应使调温旋钮上调一些,故C错误;由熨烫丝绸衣物状态转变为熨烫棉麻衣物状态,温度要高一点,由C的分析可知,应使调温旋钮下移一些,故D正确。
