搜索
第六章传感器章末小结素养脉络构建传感器概念敏感元件光敏电阻热敏电阻和金属热电阻霍尔元件应用力传感器应用—电子秤温度传感器应用电熨斗电饭锅光传感器应用：火灾报警器应用实例实验1.光控开关实验2.温度报警器核心素养提升一、传感器的工作原理和常用敏感元件1．传感器的工作原理传感器感受的通常是非电学量，如力、热、磁、光、声等，而它输出的通常是电学量，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如框图所示：非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量•2．常见敏感元件及其特性•(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电阻、负温度系数电阻两种。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。(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的元件，UH＝kIBd(4)电容：平行板电容器的电容与极板面积、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。•电饭煲的工作原理如图所示，可分为两部分，即控制部分，由S2、R1和黄灯组成；工作(加热)部分，由发热电阻R3、R2和红灯组成，S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点(103℃)时，自动断开，且不能自动复位(闭合)，S2是一个双金属片自动开关，当温度达到例170℃～80℃时，自动断开，低于70℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、R2起________作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70℃，所以S2是__________(填“断开的”或“闭合的”)。限流闭合的•接通电源并按下S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到70℃～80℃时，S2断开，当温度达到103℃时饭熟，S1断开，当温度降到70℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R2______R3(填“＜”“＝”“＞”)，若用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开，试解释此现象。•解题指导：通过红灯、黄灯的电流必须较小，根据欧姆定律可知R1、R2起限流作用；根据电饭煲的工作原理和水的沸点说明用电饭煲烧水时，直到水被烧干S1才会断开的原因。•解析：R1、R2起的作用是限流，防止指示灯(氖泡)因电流过大而烧毁，S2是自动控制温度开关，当温度低于70℃时自动闭合，当温度高于70℃～80℃时又自动断开，使电饭煲处于保温状态，由于R3的功率较大，因此R2＞R3。由于开关S1必须当温度达到103℃时才自动断开，而水的沸点只有100℃，因此用电饭煲烧水时，直到水被烧干后S1才会断开。•答案：由于开关S1必须当温度达到103℃时才自动断开，而水的沸点只有100℃，因此用电饭煲烧水时，直到水被烧干后S1才会断开。•二、日常生活中常见的传感器及应用•1．几种传感器及与其相联系的物理知识，如下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等力学、运动学与直流电路电容传感器电容力、运动与含容电路•2．几种常见的传感器•(1)红外线传感器：常用于家电遥控器、红外测温仪、生命探测器、自动门等。•(2)压力传感器：常用于电子秤、水位控制器等装置。•(3)温度传感器：主要元件是热敏电阻或金属热电阻，常用于恒温箱、电饭锅等家用电器。•(4)光电传感器：主要元件是光敏电阻、光电管等，常用于火灾报警器、光控开关等。•(5)酒精浓度传感器：测量呼气的酒精含量就可以判断其饮酒程度，交通警察使用这样的酒精传感器就能迅速、准确地检查出机动车驾驶员是否酒后驾车。•3．传感器的应用•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受信息。•(2)“传”是指通过电路等将传感器敏感元件获取的信息传给执行机构。•(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。•(4)传感器应用的一般模式•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为控钮式开关，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1min后断开，电灯熄灭。根据上述信息和原理图，我们可推断：例2•按钮开关K按下前，发光二极管是__________(填“发光的”或“熄灭的”)，按钮开关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。•解题指导：根据电路的结构和红色发光二极管的特性进行分析。当按钮开关K按下并释放后，电灯L发光，延时开关触发，相当于S闭合，二极管被短路，灯泡发光。•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，二极管和K被短路，二极管不发光，由于延时开关S约1min后断开，故电灯L能持续发光1min，由于R为限流电阻，且二极管只要有很小的电流通过就能发光，故应满足R≫RL。发光的1熄灭的≫触及高考演练•(1)本章内容是新课程标准新增加的内容，知识新颖、实用，与科技、社会结合紧密，高考中出现的机率增大。•(2)考题很可能与力学、电磁学、热学等知识综合，但不会考查大量的技术细节。•(3)题型会以选择、填空、电路连接为主。•一、高考真题探析•(2017·江苏卷，11)某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图如图1所示，继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20Ω，热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。例题t/℃30.040.050.060.070.080.0Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1•(1)提供的实验器材有：电源E1(3V，内阻不计)、电源E2(6V，内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200Ω)、滑动变阻器R2(0～500Ω)、热敏电阻Rt，继电器、电阻箱(0～999.9Ω)、开关S、导线若干。•为使该装置实现对30～80℃之间任一温度的控制，电源E应选用______(选填“E1”或“E2”)，滑动变阻器R应选用______(选填“R1”或“R2”)。E2R2•(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图2所示的选择开关旋至______(选填“A”“B”“C”或“D”)。•(3)合上开关S，用调节好的多用电表进行排查，在图1中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针__________(选填“偏转”或“不偏转”)，接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)。C不偏转偏转•(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合，下列操作步骤的正确顺序是______________。(填写各步骤前的序号)•①将热敏电阻接入电路•②观察到继电器的衔铁被吸合•③断开开关，将电阻箱从电路中移除•④合上开关，调节滑动变阻器的阻值•⑤断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，将阻值调至108.1Ω⑤④②③①•解题指导：分析不同温度下热敏电阻的阻值，根据实验要求进行分析，从而明确应采用的电源和滑动变阻器；明确多用电表的使用方法，根据要求选择对应的量程；根据电压表的测量方法以及电路结构进行分析，从而明确指针是否发生偏转；明确实验原理，确定实验方法，从而明确实验中应进行的实验步骤。解析：(1)如果电源用E1，则在t＝30℃时电路中的最大电流Im＝3199.5＋20A≈13.67mA15mA，故不能实现对此温度的控制，因此电源应选用E2；为了在t＝80℃时实现对温度的控制，设滑动变阻器阻值的最大值至少为R′，则6VR′＋20Ω＋49.1Ω＝0.015A，解得R′＝330.9Ω，因此滑动变阻器应选用R2。(2)要用多用电表的直流电压挡检测故障，应将选择开关旋至C。•(3)如果只有b、c间断路，说明b点与电源的负极间没有形成通路，a、b间的电压为零，表笔接在a、b间时，指针不偏转；c点与电源的负极间形成通路，a与电源的正极相通，a、c间有电压，因此两表笔接入a、c间时指针发生偏转。•(4)排除故障后，欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合，应先断开开关，用电阻箱替换热敏电阻，并将阻值调至108.1Ω，合上开关，调节滑动变阻器的阻值，直至观察到继电器的衔铁被吸合，这时断开开关，将电阻箱从电路中移除，将热敏电阻接入电路。因此操作步骤的正确顺序是⑤④②③①。•二、临场真题练兵•1．(2019·天津，4)笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的()DA．前表面的电势比后表面的低B．前、后表面间的电压U与v无关C．前、后表面间的电压U与c成正比D．自由电子受到的洛伦兹力大小为eUa解析：A错：由左手定则判断，后表面带负电，电势低。B、C错：电子受力平衡后，U稳定不变，由eUa＝evB得U＝Bav，U与v成正比，与c无关。D对：洛伦兹力F＝evB＝eUa。•2．(2016·全国Ⅰ，23)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，当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999.9Ω)，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1000Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。•在室温下对系统进行调节，已知U约为18V，Ic约为10mA；流过报警器的电流超过20mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60℃时阻值为650.0Ω。•(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。(2)电路中应选用滑动变阻器______(填“R1”或“R2”)。R2•(3)按照下列步骤调节此报警系统：•①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为__________Ω；滑动变阻器的滑片应置于______(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_____________________________________________________________。•②将开关向______(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。650.0b接通电源后，流过报警器的电流会超过20mA，报警器可能损坏c报警器开始报警•解析：(1)根据题述，应该采用滑动变阻器的限流接法，连接的电路如图所示。(2)根据题述，流过报警器的工作电流超过10mA时，报警器就会报警，可知滑动变阻器的最大阻值至少为R＝UIc＝1810×10－3Ω＝1800Ω，因此在电路中应选用最大阻值为2000Ω的滑动变阻器R2。•(3)①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为热敏电阻在60℃时的阻值650.0Ω；滑动变阻器的滑片应置于接入电路的阻值最大处，即b