《传感器》章末复习学案（2022创新方案人教2）

第6章《传感器》章末复习学案（2022创新方案人教选修3-2）传感器的工作原理和常见的敏感元件1．传感器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＝keq\f(IB,d)。3．传感器应用的一般模式[例证1]某些非电磁量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电磁量来测量的。一平行板电容器的两个极板竖直放置在光滑的水平平台上，极板的面积为S，极板间的距离为d，电容器的电容公式为C＝Eeq\f(S,d)(E是常数但未知)。极板1固定不动，与周围绝缘，极板2接地，且可在水平平台上滑动，并始终与极板1保持平行。极板2的侧边与劲度系数为k，自然长度为L的两个完全相同的弹簧相连。两弹簧的另一端固定，弹簧L与电容器垂直，如图6－1甲所示。如图6－1乙所示是这一装置的应用示意图，先将电容器充电至电压U后，即与电源断开，再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀向左的待测压强p，使两极板之间的距离发生微小的变化。测得此时电容器的电压改变量为ΔU。设作用在电容器极板2上的静电力不致于引起弹簧可测量到的形变，试求待测压强p。图6－1[解析]该题根据平行板电容器在电荷量不变的情况下，其两端电压随板间距离变化而变化，从而把力学量(压强p)转化为电学量(电压)来测量。因为U＝eq\f(Q,C)，C＝eq\f(ES,d)，U′＝eq\f(Q,C′)，ΔU＝U－U′＝eq\f(Qd,ES)－eq\f(Qd′,ES)＝eq\f(QΔd,ES)，所以Δd＝eq\f(ESΔU,Q)，F＝pS，2kΔd＝pS，p＝eq\f(2kΔd,S)＝eq\f(2kEΔU,Q)。[答案]eq\f(2kEΔU,Q)传感器与电路问题(1)随着信息技术和计算机技术的发展，传感器技术迈入了快速发展时期。我国将传感器技术列为重点发展的尖端技术，投入大量的人力物力，研制和开发了各种新型的传感器。传感器技术已经深入到日常生活、生产、科学研究和军事技术等各个领域，因此传感器将是今后高考的热点之一。题型较全，考查内容常与力学及电路问题结合起来，体现了一定的设计、创新能力。(2)分析传感器问题的思维方法：①确定传感器所受的物理量，传感器所感受到的物理量有力、热、磁、光、声等。②转换电路通过元件把敏感元件的输出转换成电信号，最后借助于转换电路把电信号转换为便于处理、显示、记录或控制的量。[例证2]如图6－2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。图6－2(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，水泵工作，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]见解析(时间90分钟，满分100分)一、选择题(本题共9小题，每小题7分，共63分。每小题至少有一个选项符合题意，选对但不全的得3分，有错选的得0分)1．对于确定的一个霍尔元件，若保持通入的恒定电流不变，当磁感应强度增加时，霍尔电压UH应()A不变 B．减小C．增大 D．不确定解析：由UH＝keq\f(IB,d)可得，当磁感应强度B增加时，UH增大。答案：C2．如图1甲(a)所示的电路中，光敏电阻R2加上图(b)所示的光照时，R2两端的电压变化规律是图乙中的()图1解析：光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不能减小到零。故选项B正确。答案：B3.某仪器内部的电路如图2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作的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上。当金属块处于平衡时，两根弹簧均处于原长状态，此时两灯均不亮。若将该仪器固定在一辆汽车上，则下列说法正确的是() 图2A．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，甲灯亮D．当汽车刹车时，乙灯亮解析：当汽车加速前进时，金属块M向后偏离原位置，乙灯电路被接通，所以乙灯亮，A错，B对；当汽车刹车时，金属块M向前偏离原位置，甲灯电路被接通，所以甲灯亮，C对，D错。答案：BC4．如图3为电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，则图中的甲、乙、丙分别是()图3A．小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡B．半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡C．绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻D．半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃解析：正常情况下衔铁与上接线柱接触，绿灯亮，故丙为绿灯；有险情即温度过高时电铃报警，说明衔铁被拉下与下接线柱接触小电铃响，乙是小电铃，甲是半导体热敏电阻。答案：B5．某中学的学生食堂新安装了磁卡就餐系统，使用不到一周，便出现了电源总开关总是无法接通的问题。经检查，电源总开关中漏电保护器切断了电源。漏电保护器电路如图4所示，变压器A处用火线与零线双股平行绕制成线圈，然后接到磁卡机上，B处有一个输出线圈，一旦线圈B中有电流经放大器放大后便推动保护器切断电源。造成漏电保护器切断电源的原因为磁卡机用电端()图4A．零线与火线之间漏电B．火线与地之间漏电或零线直接接地C．只有火线与地之间漏电才会产生D．刷卡机装得过多，造成电流过大解析：由题意知，火线和零线均绕在铁芯上，故只有火线与零线中电流大小不等时，才会引起漏电保护器切断电源，故可能是火线与地之间出现漏电，也可能是零线与地之间出现漏电。答案：B6.酒精测试仪的工作原理如图5所示，其中P是半导体型酒精气体传感器，该传感器电阻r′的倒数与酒精气体的浓度c成正比，R0为定值电阻。图6中关于电压表示数的倒数(eq\f(1,U))与酒精气体浓度的倒数(eq\f(1,c))之间关系的图像正确的是()图5图6解析：由闭合电路欧姆定律可得电压表的示数为U＝eq\f(R0E,R0＋r＋r′)，由于r′的倒数与酒精气体浓度成正比，即c越大，r′越小，则U示数越大，由前面式子可以得出，A项正确。答案：A7．振弦型频率传感器的结构如图7所示，它由钢弦和永磁铁两部分组成，钢弦上端用固定夹块夹紧，下端的夹块与一膜片相连接，且夹块始终对膜片有压力。当弦上的张力越大时，弦的固有频率越大。这种装置可以从线圈输出电压的频率确定膜片处压力的变化。下列说法正确的是()图7A．当软铁块与磁铁靠近时，a端电势高B．当软铁块与磁铁靠近时，b端电势高C．膜上的压力较小时，线圈中感应电动势的频率高D．膜上的压力较大时，线圈中感应电动势的频率高解析：当铁块靠近磁铁时，线圈中的磁通量增加，根据楞次定律可得，b端电势比a端电势高，选项B正确；膜上压力越小时，钢弦上的张力越大，振动频率越高，线圈中感应电动势的频率越高，所以选项C正确。答案：BC8.如图8所示是一种测定油箱内油面高度的装置，R、R′是电阻，AOB是金属杠杆，其中B端与R接触，关于这种装置的说法中正确的是()A．R与AOB组合相当于一个滑动变阻器B．电路中的R′可以省去，这样应该更省电图8C．油箱油面越高，电路的电功率越小D．油量表是由电流表改装而成的解析：由题图可以看出，A、D正确，油面越高连入电路的电阻R值越小，所以电流越大，C错误；电路中的电阻R′不可以省去，它起到一个调节电流保护电路元件的作用，所以B错。答案：AD9．如图9所示，Rt为正温度系数热敏电阻，R1为光敏电阻，R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是()图9A．热敏电阻温度升高，其他条件不变B．热敏电阻温度降低，其他条件不变C．光照增强，其他条件不变D．光照减弱，其他条件不变解析：电压表示数变大，而R3为定值电阻，说明流经R3的电流增大，由电路结构可知，这可能是由于Rt减小或R1增大，由热敏电阻和光敏电阻特性知，可能是由于温度降低或光照减弱，故B、D正确，A、C错误。答案：BD二、非选择题(本题共3小题，共37分。解答过程应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤)10．(10分)如图10所示是一种自动控制水温的装置，加热电路的两端P、Q应接在触头a、b之间还是c、d之间？热敏电阻两端M、N应接在哪两个触头之间？图10解析：P、Q应该分别接到触头a、b之间，同时，M、N应该分别接在e、f之间，其工作原理是：当水温升高时热敏电阻阻值减小，电磁铁中电流增大，吸引力增大，使衔铁被吸下，a、b断开，使加热装置停止加热；当水温降低到一定程度时，热敏电阻温度减小，阻值增大，电磁铁中电流减小，吸引力减小，衔铁被弹簧拉上去，使a、b之间连接，加热装置开始加热，从而实现水温控制。答案：见解析11．(11分)为了节能和环保，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)。某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表：照度(lx)电阻(kΩ)754028232018根据表中数据，请在图11给定的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。图11解析：描绘图像应注意：各点均匀分布在图线两侧，且图线应用平滑曲线，而不能成为各点的连线。图线为曲线，电阻与照度成非线性变化关系。答案：光敏电阻的阻值随光照度变化的曲线如图所示：光敏电阻的阻值随光照度变化特点：光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。12．(16分)如图12所示为检测某传感器的电路图。传感器上标有“3VW”的字样(传感器可看做一个纯电阻)，滑动变阻器R0上标有“10Ω1A”的字样，电流表的量程为0.6A，电压表的量程为3(1)传感器的电阻和额定电流；图12(2)为了确保电路各部分的安全，在a、b之间所加的电源电压最大值是多少？(3)如果传感器的电阻变化超过标准值1Ω，则该传感器就失去作用。实际检测时，将一个恒压电源加在图中a、b之间。闭合开关S，通过调节R0来改变电路中的电流和R0两端的电压。检测记录如下：电压表示数U/V电流表示数I/A第一次第二次若不计检测电路对传感器电阻的影响，通过计算分析，你认为这个传感器是否仍可使用？此时a、b所加的电压是多少？解析：(1)R传＝eq\f(U\o\al(2,传),P传)＝eq\f(32,Ω＝10ΩI传＝eq\f(P传,U传)＝eq\f,3)A＝0.3A。(2)最大电流I＝I传＝0.3电源电压最大值Um＝U传＋U0，U传为传感器的额定电压，U0为R0m＝10Ω时R0两端的电压，即U0＝I传R0m＝×10