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- 2021-05-13 发布
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第3课时 传感器的原理及应用
考纲解读 1.知道什么是传感器.2.知道热敏电阻和光敏电阻的作用.3.会讨论常见的各种传感器的工作原理、元件特征及设计方案.4.会设计简单的温度报警器.
基本实验要求Ⅰ
研究热敏电阻的特性
1. 实验原理
闭合电路的欧姆定律,用欧姆表进行测量和观察.
2. 实验器材
半导体热敏电阻、多用电表、温度计、烧杯、凉水和热水.
3. 实验步骤
(1)按实验原理图连接好电路,将热敏电阻绝缘处理;
(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热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.
4. 数据处理
在图1坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线.
5. 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. 图1
6. 注意事项
实验时,加热水后要等一会儿再测其阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温.
基本实验要求Ⅱ
研究光敏电阻的光敏特性
1. 实验原理
闭合电路的欧姆定律,用欧姆表进行测量和观察.
2. 实验器材
光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器、导线.
3. 实验步骤
(1)将光敏电阻、多用电表、灯泡、滑动变阻器如实验原理图所示电路连接好,其中多用电表置于“×100”挡;
(2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值,并记录数据;
(3)打开电源,让小灯泡发光,调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录.
(4)用手掌(或黑纸)遮光时,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,
并记录.
4. 数据处理
根据记录数据分析光敏电阻的特性.
5. 实验结论
(1)光敏电阻在暗环境下电阻值很大,强光照射下电阻值很小.
(2)光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量.
6. 注意事项
(1)实验中,如果效果不明显,可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上小孔改变射到光敏电阻上的光的多少来达到实验目的.
(2)欧姆表每次换挡后都要重新调零.
考点一 热敏电阻的实际应用
例1 利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器,一般体积很小,可以用来测量很小范围内的温度变化,反应快,而且精确度高.
(1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路,其他因素不变,只要热敏电阻所处区域的温度降低,电路中电流将变________(填“大”或“小”).
(2)上述电路中,我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度,就能直接显示出热敏电阻附近的温度.如果刻度盘正中的温度为20°C(如图1甲所示),则25°C的刻度应在20°C的刻度的________(填“左”或“右”)侧.
甲 乙
图1
(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化,请用图乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路.
解析 (1)因为负温度系数热敏电阻温度降低时,电阻增大.故电路中电流会减小.
(2)由(1)的分析知,温度越高,电流越大,25°C的刻度应对应较大电流,故在20°C的刻度的右侧.
(3)电路如图所示.
答案 (1)小 (2)右 (3)见解析图
考点二 光敏电阻传感器
例2 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ROS在不同照度下的阻值如下表所示:
照度(lx)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻(kΩ)
75
40
28
23
20
18
(1)根据表中数据,请在图2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2
(2)如图3所示,当1、2两端所加电压上升至2 V时,控制开关自动启动照明系统,请利用下列器材设计一个简单电路给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗、照度降低至1.0 lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
图3
提供的器材如下:
光敏电阻ROS(符号,阻值见上表)
直流电源E(电动势3 V,内阻不计);
定值电阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ ,R3=40 kΩ (限选其中之一并在图中标出)
开关S及导线若干.
解析 (1)根据表中的数据,在坐标系中描点连线,得到如图所示的变化曲线.
由图可知阻值随照度变化的特点:光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小.
(2)因天色渐暗、照度降低至1.0 lx时启动照明系统,此时光敏电阻阻值为20 kΩ,两端电压为2 V,电源电动势为3 V,故应加上一个分压电阻,分压电阻阻值为10 kΩ,即选用R1.此电路的原理图如图所示.
答案 见解析
考点三 力电传感器的实际应用
例3 图4所示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的劲度系数k.电源的电动势为E,内阻可忽略不计;滑动变阻器全长为L,重力加速度为g.为理想电压表.当木板上没有放重物时,滑动变阻器的触头位于图中a点,此时电压表示数为零.在木板上放置质量为m的重物,滑动变阻器的触头随木板一起下移.由电压表的示数U及其他给定条件,可计算出弹簧的劲度系数k.
图4
(1)写出m、U与k之间所满足的关系式.
(2)已知E=1.50 V,L=12.0 cm,g=9.80 m/s2.测量结果如下表:
m(kg)
1.00
1.50
3.00
4.50
6.00
7.50
U(V)
0.108
0.154
0.290
0.446
0.608
0.740
①在图5中给出的坐标纸上利用表中数据描出m-U直线.
图5
②m-U直线的斜率为________kg/V;
③弹簧的劲度系数k=________N/m(结果均保留三位有效数字).
解析 (1)设放置质量m的物体时弹簧压缩量为x,则有
mg=kx
又U=E
解得m=U.
(2)①用描点法作图,作出的图象如图所示.
②选取(0,0)、(0.90,9)两点,则斜率为= kg/V=10.0 kg/V.
③因m=U,故=,
k=·=10.0× N/m=1.23×103 N/m.
答案 (1)m=U (2)①见解析图 ②10.0 ③1.23×103
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
答案 C
解析 传感器工作的一般流程为:非电学量被敏感元件感知,然后通过转换元件转换成电信号,再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量,因此A、B、D错,C对.
2. (2011·江苏·6)美国科学家Willard S. Boyle与George E. Smith因电荷耦合器件(CCD)的重要发明荣获2009年度诺贝尔物理学奖.CCD是将光学量转变成电学量的传感器.下列器件可作为传感器的有 ( )
A.发光二极管 B.热敏电阻
C.霍尔元件 D.干电池
答案 BC
3. 为了保护电脑元件不受损害,在电脑内部有很多传感器,其中最重要的就是温度传感器,常用的温度传感器有两种:一种是用金属做的热电阻;另一种是用半导体做的热敏电阻.
关于这两种温度传感器的特点,下列说法正确的是 ( )
A.金属做的热电阻随着温度的升高电阻变大
B.金属做的热电阻随着温度的升高电阻变小
C.用半导体做的热敏电阻随着温度的升高电阻变大
D.用半导体做的热敏电阻随着温度的升高电阻变小
答案 AD
解析 金属的电阻率随着温度的升高而变大,半导体在温度升高时电阻会变小,故选A、D.
4. 如图6(a)所示,光敏电阻R2上加上如图(b)所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的 ( )
图6
答案 B
解析 光敏电阻阻值随光照的增强而减小,根据题图乙知R2两端的电压随之同频率地先减小后增大,但不会是零,所以选B.
5. 如图7所示是一火警报警器的部分电路示意图,其中R3为用半
导体热敏材料制成的传感器.
值班室的显示器为电路中的电流
表,a、b之间接报警器.当传感器R3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 ( ) 图7
A.I变大,U变大 B.I变大,U变小
C.I变小,U变小 D.I变小,U变大
答案 C
解析 当传感器R3所在处出现火情时,温度升高,R3阻值变小,电路的总电阻变小,电路的总电流变大.r两端的电压变大,所以路端电压(即报警器两端的电压U)变小;又R1两端的电压变大,R2与R3的并联电压变小,所以流过R2的电流(即显示器的电流I)变小.
6. 如图8所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,
当照射光强度增大时 ( )
A.电压表的示数增大
B.R2中电流减小 图8
C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
答案 ABC
解析 当照射光强度增大时,R3阻值减小,外电路总电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路路端电压减小,A项正确,D项错误;由路端电压减小,R1两端电压增大知,R2两端电压必减小,则R2
中电流减小,故B项正确;结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大,则小灯泡的功率增大,故C项正确.
7. 一台臭氧发生器P的电阻为10 kΩ,当供电电压等于24 V时能正常工作,否则不产生臭氧.现要用这种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它在有光照时能产生臭氧,在黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制,R1的阻值在有光照时为100 Ω,黑暗时为1 000 Ω,允许通过的最大电流为3 mA;电源E的电压为36 V,内阻不计;另有一个滑动变阻器R2,阻值为0~100 Ω,允许通过的最大电流为0.4 A;一个开
图9
关S和导线若干.臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如图9所示.
设计一个满足上述要求的电路图,图中各元件要标上字母代号,其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B.(电路图画在虚线框内)
答案 见解析图
解析 为了能控制臭氧发生器,应该用滑动变阻器的分压式接法,有光照时P能正常工作,无光照时P不工作.电路图如图所示:
8. 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件,现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线,
要求该特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值约4 Ω~5 Ω.将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其他备用的仪表和器具有:盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3 V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1 Ω)、直流电压表(内阻约5 kΩ)、滑动变阻器(0~20 Ω)、开关、导线若干.
(1)在下面的虚线框中画出实验电路图,要求测量误差尽可能小.
(2)根据电路图,在图10的实物图上连线.
图10
(3)简要写出完成接线后的主要实验步骤.
答案 见解析
解析 (1)为获得更多的数据,应使电压从零开始变化,故应采用分压电路.由于待测热敏电阻阻值约4 Ω~5 Ω,故应采用电流表外接法,电路图如图所示.
(2)按电路图连接实物图如图所示.
(3)①往保温杯中加入一些热水,待温度稳定时读出温度计示数;
②调节滑动变阻器,快速测出几组电流表和电压表的值并记录;
③重复①、②,测量不同温度下的电流表和电压表的值并作记录;
④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线.
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