1、对应演练实验16利用传感器制作简单 的自动控制装置对应演练-2-一、实验目的1.利用传感器制作简单的自动控制装置。2.通过实验认识传感器,体会非电学量转换成电学量的好处。对应演练-3-二、各类传感器工作原理(一)要制作出符合要求的传感器,就要知道所用敏感材料的特性,根据这个特性才能选择合适的材料,确定其最佳的工作区间。许多传感器的敏感元件在外界条件发生变化时,其电学量也将发生变化。那么电学量与外界条件究竟有着怎样的关系呢?对于不同的敏感元件,其关系是不一样的。比如热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类:(1)正温度系数的热敏材料(PTC),它的电阻随温度的上升而增加。(2)负温度系数的热敏材
2、料(NTC),它的电阻随温度的上升而下降。(3)临界温度系数的热敏材料(CTC),它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧下降。对应演练-4-这三种热敏材料的温度特性曲线如图所示,由图可知,PTC和CTC型热敏电阻在一定温度范围内,阻值随温度而剧烈变化,因此常用作开关元件,在温度测量中使用最多的是NTC型热敏电阻。1.温度传感器的应用电熨斗(1)构造:如图所示。对应演练-5-(2)原理常温下,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,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而断开电源,停止加热。温度降低后,该金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样
3、循环进行,起到自动控制温度的作用。对应演练-6-2.力传感器的应用电子秤(1)构造:常见的力传感器是由金属梁和应变片组成。(2)原理如图所示,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,在梁的自由端施加力F,则横梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面的电阻变大,下表面的电阻变小。F越大,弯曲型变量越大,应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中的电流保持恒定,那么上面应变片两端的电压变大,下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。外力越大,输出的电压差值也就越大。图中应变片把物体形变这个力学量转换为电压这个容易测量的电学量。(3)应用:电子秤、测量其他各种力。对应
4、演练-7-3.声传感器的应用话筒(1)话筒的作用:话筒是一种传感器,能将声信号转换为电信号。(2)原理(以电容式话筒为例):如图所示,Q是绝缘支架,薄金属膜M和嘲定电极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,于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。(3)优点:保真度比动圈式话筒好。对应演练-8-4.光传感器的应用机械式鼠标器(1)构造:滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管。(2)原理:鼠标移动时,滚球运动通过轴带动两个码盘转动,红外接收管就收到断续的红外线脉冲,输出相应的电脉冲信号,计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号,处理后就使
5、屏幕上的光标产生相应的位移。对应演练-9-5.磁传感器霍尔元件(1)定义:是把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量的一种元件。(2)霍尔效应与霍尔电压如图所示,厚度为h、宽为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中,当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时电势差UH、电流I和磁感应强度B的关系为:对应演练-10-式中的比例系数RH称为霍尔系数,I为控制电流,d为薄片厚度,UH为霍尔电动势。如果 ,称为霍尔元件的灵敏度,则上式可写为UH=KHIB。可见,霍尔元件的输出电压正比于控制电流I和磁感应强度B。(3)霍
6、尔效应的应用霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍尔效用以确定一种半导体材料是电子型还是空穴型。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大,因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。对应演练-11-(二)学会用传感器设计控制电路传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强和能力要求高等特点,但不管怎样,搞清其工作原理是求解这类问题的关键。因此,求解时必须结合题目提供的信息,认真分析传感器所在的电路结构,并注意以下两个方面的问题:(1)确定传感器所感受到的物理量(如力、热、光、声、磁等);(2)转换电路把输出转换成电学量信号,通过元件把敏感元件的输出转换成电学
7、量信号,最后借助于转换电路把电学量信号转换成便于处理显示、记录或控制的量。传感器的工作过程如下图所示。对应演练-12-命题点一命题点二 用用温度传感器设计控制电路温度传感器设计控制电路 典例1(2016全国卷)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当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),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),滑动变阻器R2(最大阻值为2 000),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18 V,Ic约为
8、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升高而减小,在60 时阻值为650.0。对应演练-13-命题点一命题点二(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”)。对应演练-14-命题点一命题点二(3)按照下列步骤调节此报警系统: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;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。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
9、正常使用。对应演练-15-命题点一命题点二答案:(1)连线如图所示。(2)R2(3)650.0b接通电源后,流过报警器的电流会超过20 mA,报警器可能损坏c报警器开始报警对应演练-16-命题点一命题点二解析:(1)先用电阻箱替代热敏电阻,连接成闭合回路进行调试。电路图连接如答案所示。(2)当电路中电流Ic=10 mA时,根据闭合电路欧姆定律有Ic=,解得R总=1 800,此时热敏电阻的阻值为650,则滑动变阻器的阻值为1 150,所以滑动变阻器选R2。(3)当热敏电阻阻值小于650 时,报警器就会报警,用电阻箱替代热敏电阻进行调节,应把电阻箱的阻值调到650。若接通电源后电路中的电流过大(超
10、过20 mA),报警器就会损坏,电流越小越安全,所以为了电路安全,闭合开关前滑片应置于b端。用电阻箱替代热敏电阻进行调试,应将开关向c端闭合,开关闭合后要减小电路中的电阻直至报警器报警。对应演练-17-命题点一命题点二涉及传感器实验问题的解题方法1.明确实验目的。2.了解各类传感器的工作过程,探究敏感元件的特性。掌握传感器的简单使用。3.理解传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。4.知道其工作过程。对应演练-18-命题点一命题点二力电传感器、光敏传感器的应用力电传感器、光敏传感器的应用典例2某学生为了测量一物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输
11、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0;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)。(1)设计一个电路,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,画出完整的测量电路图;(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。对应演练-19-命题点一命题点二答案 见解析解析 本题是传感器的应用问题,考查实验与探究能力,完成简单的实验设计。力电转换器虽
12、然是一个全新的仪器,但它与其他所有的测量仪器一样,要有一个“调零”的过程。仔细审题,题目中有很多重要的暗示,挖掘这些信息即是我们解决问题的关键。“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0;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”“该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)”,所以输出电压U=kmg。题目要求“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”,这就暗示我们滑动变阻器必须使用分压式,有了设计电路才可以进行测量步骤。对应演练-20-命题点一命题点二(1)设计电路如图所示。(2)测量步骤如下:调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为
13、零;将质量为m0的砝码放在转换器的受压面上,记下输出电压U0;将待测物体放在转换器的受压面上,记下输出电压U1;对应演练-21-1.(2017高考江苏卷)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甲所示,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15 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控。继电器的电阻约20,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。对应演练-22-(1)提供的实验器材有:电源E1(3 V,内阻不计)、电源E2(6 V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0200)、滑动变阻器R2(0500)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0999
14、.9)、开关S、导线若干。为使该装置实现对3080 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”)。甲 乙 对应演练-23-(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,则应将如图乙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。在图甲中,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”)。(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
15、序号)。将热敏电阻接入电路观察到继电器的衔铁被吸合断开开关,将电阻箱从电路中移除合上开关,调节滑动变阻器的阻值断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 对应演练-24-答案:(1)E2R2(2)C(3)不偏转偏转(4)解析:(1)当温度控制在30,衔铁被吸合时,Rt两端的电压约为Ut=IRt=0.015200 V=3 V,继电器两端的电压U=IR=0.01520 V=0.3 V,故需电源电动势大于3 V,选E2。当温度控制在80 时,电路中的总电阻R总=400,远大于热敏电阻、继电器以及滑动变阻器R1的电阻的总和,故滑动变阻器选R2。(2)A挡位测量电阻值,B挡位测量交流电压,C挡
16、位测量直流电压,D挡位测量电流值,故为测量各接入点的电压,应将开关旋至C挡。对应演练-25-(3)若bc间断路,ab只与电源正极相连通,ab间无电压,如图故多用电表指针不偏转。若bc间断路,a点与电源正极相连通,c点与电源负极相连通,a、c两点间的电压为电源电动势。如图故多用电表指针偏转。对应演练-26-(4)要想保证温度控制在50,由题目表中可得Rt=108.1,因此我们要用电阻箱代替热敏电阻,把电阻箱电阻调整到108.1,闭合电路调节滑动变阻器,让继电器吸合(即让电路中的电流为15 mA),再将电阻箱移除,将热敏电阻接入电路,完成实验。对应演练-27-2.如图甲为在温度为10 左右的环境中
17、工作的某自动恒温箱原理图,箱内的电阻R1=20 k、R2=10 k、R3=40 k,Rt为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示,当a、b端电压Uab0时,电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度升高;当a、b端电压Uab0时,电压鉴别器会令开关S断开,停止加热。则恒温箱内的温度可保持在()A.10 B.20 C.35 D.45 对应演练-28-答案 C解析要确定a、b间的电势差,可采用“等势法”。分析图甲电路可知:当 时,a、b两电势相等,把R1=20 k、R2=10 k、R3=40 k,代入上式可得Rt=20 k。若温度降低时,电阻Rt20 k,电压鉴别器会令开关S
18、接通,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度升高。由图乙可知此时的温度为35,C选项对。对应演练-29-3.现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和若干导线。如图所示,试设计一个控温电路。要求温度低于某一温度时,电炉丝自动通电供热,超过某一温度时,又自动断电,画出电路图说明工作原理。对应演练-30-答案 见解析解析(1)电路图如图所示。(2)工作过程,闭合S,当温度低于设计值时,热敏电阻阻值大,通过电磁继电器电流不能使它工作,K接通电炉丝加热,当温度达到设计值时,热敏电阻减小到某值,通过电磁继电器的电流达到工作电流,K断开,电炉丝断电,停止加热,当温度低于设计值,又重复前述过程。对
19、应演练-31-4.传感器担负着信息的采集任务,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,热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示,图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器线路图。问:对应演练-32-(1)为了使温度过高时报警器铃响,c应接在(选填“a”或“b”)。(2)若使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P点向移动(选填“左”或“右”)。(3)如果在调试报警器达最低报警温度时,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
20、状态,则造成工作电路实际不能工作的原因可能是。对应演练-33-答案(1)a(2)左(3)c接在b上解析 由热敏电阻随温度的变化曲线可知,当温度升高时,其电阻减小,此时电路中的电流增大,故电磁铁把衔铁吸引过来,为使报警器工作,c应接在a上。若使启动报警的温度提高些,因热敏电阻的阻值更小,故应增大滑动变阻器的电阻,即把P向左移动。报警器不能工作,说明报警器电路处于断路,可能是c接在b上。对应演练-34-5.如图a所示为测量血压的压力传感器在工作时的示意图,薄金属片固定有4个电阻R1、R2、R3、R4,图b是它的侧面图,这4个电阻连接成电路如图c,试回答:(1)开始时,金属片中央O点未加任何压力,欲
21、使电压表无示数,则4个电阻应满足怎样的关系?(2)当O点加一个压力F后发生形变,这时4个电阻也随之发生形变,形变后各电阻大小如何变化?(3)电阻变化后,电路A、B两点哪点电势高?它为什么能测血压?对应演练-35-答案 见解析解析(1)本问题是求电路A、B两点的电压与4个电阻的关系,由于电压表的电阻可以看作无穷大,因此本电路是R1与R2串联,R3与R4串联,然后它们再并联,设上面部分电流为I1,下面部分电流为I2,要使A点电势等于B点电势,则应有电阻R1上的电压等于R3上的电压,电阻R2上的电压等于R4上的电压,即I1R1=I2R3;I1R2=I2R4,可得(2)当O点加垂直于金属片的压力后,金属片发生形变,由于电阻是固定在金属片上的,因此R1、R4被拉长,R2、R3被拉宽,即R1、R4增大,R2、R3减小,这时A、B两点电势不再相等。对应演练-36-(3)电阻R1、R4增大,它两端的电压将增大,电阻R2、R3减小,它两端的电压将减小,所以A点的电势将高于B点的电势。当测量血压时,血管对薄金属片产生压力F,血压越高,压力F越大,金属片的形变越显著,电阻变化越大,A、B两点电势差也越大,因而电压表读数越大,于是就能根据电压表示数的大小来测量血压的高低了。
