實驗16利用傳感器制作簡單

的自動控制裝置實驗16利用傳感器制作簡單

的自動控制裝置-2-一、實驗目的1.利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。2.通過實驗認識傳感器,體會非電學量轉換成電學量的好處。-2-一、實驗目的-3-二、各類傳感器工作原理(一)要制作出符合要求的傳感器,就要知道所用敏感材料的特性,根據這個特性才能選擇合適的材料,確定其最佳的工作區間。許多傳感器的敏感元件在外界條件發生變化時,其電學量也將發生變化。那么電學量與外界條件究竟有著怎樣的關系呢?對于不同的敏感元件,其關系是不一樣的。比如熱敏電阻所用材料根據其溫度特性可分為三類:(1)正溫度系數的熱敏材料(PTC),它的電阻隨溫度的上升而增加。(2)負溫度系數的熱敏材料(NTC),它的電阻隨溫度的上升而下降。(3)臨界溫度系數的熱敏材料(CTC),它的電阻在很小的溫度范圍(臨界)內急劇下降。-3-二、各類傳感器工作原理-4-這三種熱敏材料的溫度特性曲線如圖所示,由圖可知,PTC和CTC型熱敏電阻在一定溫度范圍內,阻值隨溫度而劇烈變化,因此常用作開關元件,在溫度測量中使用最多的是NTC型熱敏電阻。1.溫度傳感器的應用——電熨斗(1)構造:如圖所示。-4-這三種熱敏材料的溫度特性曲線如圖所示,由圖可知,PTC-5-(2)原理常溫下,上、下觸點應是接觸的,但溫度過高時,由于雙金屬片受熱膨脹系數不同,上部金屬膨脹大,下部金屬膨脹小,則雙金屬片向下彎曲,使觸點分離,從而斷開電源,停止加熱。溫度降低后,該金屬片恢復原狀,重新接通電路加熱,這樣循環進行,起到自動控制溫度的作用。-5-(2)原理-6-2.力傳感器的應用——電子秤(1)構造:常見的力傳感器是由金屬梁和應變片組成。(2)原理如圖所示,彈簧鋼制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各貼一個應變片,在梁的自由端施加力F,則橫梁發生彎曲,上表面拉伸,下表面壓縮,上表面的電阻變大,下表面的電阻變小。F越大,彎曲型變量越大,應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中的電流保持恒定,那么上面應變片兩端的電壓變大,下面應變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。外力越大,輸出的電壓差值也就越大。圖中應變片把物體形變這個力學量轉換為電壓這個容易測量的電學量。(3)應用:電子秤、測量其他各種力。-6-2.力傳感器的應用——電子秤-7-3.聲傳感器的應用——話筒(1)話筒的作用:話筒是一種傳感器,能將聲信號轉換為電信號。(2)原理(以電容式話筒為例):如圖所示,Q是絕緣支架,薄金屬膜M和嘲定電極N形成一個電容器,被直流電源充電。當聲波使膜片振動時,電容發生變化,電路中形成變化的電流,于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規律相同的電壓。(3)優點:保真度比動圈式話筒好。-7-3.聲傳感器的應用——話筒-8-4.光傳感器的應用——機械式鼠標器(1)構造:滾球、滾軸與碼盤、紅外發射管與紅外接收管。(2)原理:鼠標移動時,滾球運動通過軸帶動兩個碼盤轉動,紅外接收管就收到斷續的紅外線脈沖,輸出相應的電脈沖信號,計算機分別統計x、y兩個方向的脈沖信號,處理后就使屏幕上的光標產生相應的位移。-8-4.光傳感器的應用——機械式鼠標器-9-5.磁傳感器——霍爾元件(1)定義:是把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量的一種元件。(2)霍爾效應與霍爾電壓如圖所示,厚度為h、寬為d的導體板放在垂直于它的磁感應強度為B的均勻磁場中,當電流通過導體板時,在導體板的上側面A和下側面A'之間會產生電勢差,這種現象稱為霍爾效應。實驗表明,當磁場不太強時電勢差UH、電流I和磁感應強度B的關系為:-9-5.磁傳感器——霍爾元件-10-式中的比例系數RH稱為霍爾系數,I為控制電流,d為薄片厚度,UH為霍爾電動勢。如果,稱為霍爾元件的靈敏度,則上式可寫為UH=KHIB。可見,霍爾元件的輸出電壓正比于控制電流I和磁感應強度B。(3)霍爾效應的應用霍爾效應廣泛應用于半導體材料的測試和研究中。例如用霍爾效用以確定一種半導體材料是電子型還是空穴型。半導體內載流子的濃度受溫度、雜質以及其他因素的影響很大,因此霍爾效應為研究半導體載流子濃度的變化提供了重要的方法。-10-式中的比例系數RH稱為霍爾系數,I為控制電流,d為薄-11-(二)學會用傳感器設計控制電路傳感器問題具有涉及的知識點多、綜合性強和能力要求高等特點,但不管怎樣,搞清其工作原理是求解這類問題的關鍵。因此,求解時必須結合題目提供的信息,認真分析傳感器所在的電路結構,并注意以下兩個方面的問題:(1)確定傳感器所感受到的物理量(如力、熱、光、聲、磁等);(2)轉換電路把輸出轉換成電學量信號,通過元件把敏感元件的輸出轉換成電學量信號,最后借助于轉換電路把電學量信號轉換成便于處理顯示、記錄或控制的量。傳感器的工作過程如下圖所示。-11-(二)學會用傳感器設計控制電路-12-命題點一命題點二

用溫度傳感器設計控制電路

典例1(2016·全國卷Ⅰ)現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統,要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60℃

時,系統報警。提供的器材有:熱敏電阻,報警器(內阻很小,流過的電流超過Ic時就會報警),電阻箱(最大阻值為999.9Ω),直流電源(輸出電壓為U,內阻不計),滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω),滑動變阻器R2(最大阻值為2000Ω),單刀雙擲開關一個,導線若干。在室溫下對系統進行調節。已知U約為18V,Ic約為10mA;流過報警器的電流超過20mA時,報警器可能損壞;該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小,在60℃時阻值為650.0Ω。-12-命題點一命題點二用溫度傳感器設計控制電路-13-命題點一命題點二(1)完成待調節的報警系統原理電路圖的連線。

(2)電路中應選用滑動變阻器

(填“R1”或“R2”)。

-13-命題點一命題點二(1)完成待調節的報警系統原理電路圖-14-命題點一命題點二(3)按照下列步驟調節此報警系統:①電路接通前,需將電阻箱調到一固定的阻值,根據實驗要求,這一阻值為

Ω;滑動變阻器的滑片應置于

(選填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是

。

②將開關向

(選填“c”或“d”)端閉合,緩慢移動滑動變阻器的滑片,直至

。

(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變,將開關向另一端閉合,報警系統即可正常使用。-14-命題點一命題點二(3)按照下列步驟調節此報警系統:-15-命題點一命題點二答案:(1)連線如圖所示。(2)R2(3)①650.0

b

接通電源后,流過報警器的電流會超過20mA,報警器可能損壞②c

報警器開始報警-15-命題點一命題點二答案:(1)連線如圖所示。-16-命題點一命題點二解析:(1)先用電阻箱替代熱敏電阻,連接成閉合回路進行調試。電路圖連接如答案所示。(2)當電路中電流Ic=10

mA時,根據閉合電路歐姆定律有Ic=,解得R總=1

800

Ω,此時熱敏電阻的阻值為650

Ω,則滑動變阻器的阻值為1

150

Ω,所以滑動變阻器選R2。(3)①當熱敏電阻阻值小于650

Ω時,報警器就會報警,用電阻箱替代熱敏電阻進行調節,應把電阻箱的阻值調到650

Ω。若接通電源后電路中的電流過大(超過20

mA),報警器就會損壞,電流越小越安全,所以為了電路安全,閉合開關前滑片應置于b端。②用電阻箱替代熱敏電阻進行調試,應將開關向c端閉合,開關閉合后要減小電路中的電阻直至報警器報警。-16-命題點一命題點二解析:(1)先用電阻箱替代熱敏電阻,-17-命題點一命題點二涉及傳感器實驗問題的解題方法1.明確實驗目的。2.了解各類傳感器的工作過程,探究敏感元件的特性。掌握傳感器的簡單使用。3.理解傳感器能夠將感受到的物理量(力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電學量)。4.知道其工作過程。-17-命題點一命題點二涉及傳感器實驗問題的解題方法-18-命題點一命題點二力電傳感器、光敏傳感器的應用典例2某學生為了測量一物體的質量,找到一個力電轉換器,該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k)。如圖所示,測量時先調節輸入端的電壓,使轉換器空載時的輸出電壓為0;而后在其受壓面上放一物體,即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U。現有下列器材:力電轉換器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個,開關及導線若干,待測物體(可置于力電轉換器的受壓面上)。(1)設計一個電路,要求力電轉換器的輸入電壓可調,并且使電壓的調節范圍盡可能大,畫出完整的測量電路圖;(2)簡要說明測量步驟,求出比例系數k,并測出待測物體的質量m。-18-命題點一命題點二力電傳感器、光敏傳感器的應用-19-命題點一命題點二答案

見解析解析

本題是傳感器的應用問題,考查實驗與探究能力,完成簡單的實驗設計。力電轉換器雖然是一個全新的儀器,但它與其他所有的測量儀器一樣,要有一個“調零”的過程。仔細審題,題目中有很多重要的暗示,挖掘這些信息即是我們解決問題的關鍵。“測量時先調節輸入端的電壓,使轉換器空載時的輸出電壓為0;而后在其受壓面上放一物體,即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U”“該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k)”,所以輸出電壓U=kmg。題目要求“力電轉換器的輸入電壓可調,并且使電壓的調節范圍盡可能大”,這就暗示我們滑動變阻器必須使用分壓式,有了設計電路才可以進行測量步驟。-19-命題點一命題點二答案見解析-20-命題點一命題點二(1)設計電路如圖所示。(2)測量步驟如下:①調節滑動變阻器,使轉換器的輸出電壓為零;②將質量為m0的砝碼放在轉換器的受壓面上,記下輸出電壓U0;③將待測物體放在轉換器的受壓面上,記下輸出電壓U1;-20-命題點一命題點二(1)設計電路如圖所示。-21-1.(2017·高考江蘇卷)某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置,實驗原理電路圖如圖甲所示,繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯接在電源E兩端,當繼電器的電流超過15mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實現溫控。繼電器的電阻約20Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如下表所示。-21-1.(2017·高考江蘇卷)某同學通過實驗制作一個簡-22-(1)提供的實驗器材有:電源E1(3V,內阻不計)、電源E2(6V,內阻不計)、滑動變阻器R1(0~200Ω)、滑動變阻器R2(0~500Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱(0~999.9Ω)、開關S、導線若干。為使該裝置實現對30~80℃之間任一溫度的控制,電源E應選用

(選填“E1”或“E2”),滑動變阻器R應選用

(選填“R1”或“R2”)。

甲

乙

-22-(1)提供的實驗器材有:電源E1(3V,內阻不計)-23-(2)實驗發現電路不工作。某同學為排查電路故障,用多用電表測量各接點間的電壓,則應將如圖乙所示的選擇開關旋至

(選填“A”“B”“C”或“D”)。

(3)合上開關S,用調節好的多用電表進行排查。在圖甲中,若只有b、c間斷路,則應發現表筆接入a、b時指針

(選填“偏轉”或“不偏轉”),接入a、c時指針

(選填“偏轉”或“不偏轉”)。

(4)排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻為50℃時被吸合,下列操作步驟的正確順序是

(填寫各步驟前的序號)。

①將熱敏電阻接入電路②觀察到繼電器的銜鐵被吸合③斷開開關,將電阻箱從電路中移除④合上開關,調節滑動變阻器的阻值⑤斷開開關,用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調至108.1Ω-23-(2)實驗發現電路不工作。某同學為排查電路故障,用多-24-答案:(1)E2

R2

(2)C

(3)不偏轉

偏轉

(4)⑤④②③①解析:(1)當溫度控制在30

℃,銜鐵被吸合時,Rt兩端的電壓約為Ut=IRt=0.015×200

V=3

V,繼電器兩端的電壓U'=IR'=0.015×20

V=0.3

V,故需電源電動勢大于3

V,選E2。當溫度控制在80

℃時,電路中的總電阻R總==400

Ω,遠大于熱敏電阻、繼電器以及滑動變阻器R1的電阻的總和,故滑動變阻器選R2。(2)A擋位測量電阻值,B擋位測量交流電壓,C擋位測量直流電壓,D擋位測量電流值,故為測量各接入點的電壓,應將開關旋至C擋。-24-答案:(1)E2R2(2)C(3)不偏轉偏轉-25-(3)若bc間斷路,ab只與電源正極相連通,ab間無電壓,如圖故多用電表指針不偏轉。若bc間斷路,a點與電源正極相連通,c點與電源負極相連通,a、c兩點間的電壓為電源電動勢。如圖故多用電表指針偏轉。-25-(3)若bc間斷路,ab只與電源正極相連通,ab間無-26-(4)要想保證溫度控制在50

℃,由題目表中可得Rt=108.1

Ω,因此我們要用電阻箱代替熱敏電阻,把電阻箱電阻調整到108.1

Ω,閉合電路調節滑動變阻器,讓繼電器吸合(即讓電路中的電流為15

mA),再將電阻箱移除,將熱敏電阻接入電路,完成實驗。-26-(4)要想保證溫度控制在50℃,由題目表中可得Rt-27-2.如圖甲為在溫度為10℃左右的環境中工作的某自動恒溫箱原理圖,箱內的電阻R1=20kΩ、R2=10kΩ、R3=40kΩ,Rt為熱敏電阻,它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示,當a、b端電壓Uab≤0時,電壓鑒別器會令開關S接通,恒溫箱內的電熱絲發熱,使箱內溫度升高;當a、b端電壓Uab>0時,電壓鑒別器會令開關S斷開,停止加熱。則恒溫箱內的溫度可保持在(

)A.10℃ B.20℃ C.35℃ D.45℃

-27-2.如圖甲為在溫度為10℃左右的環境中工作的某自動-28-答案

C

解析要確定a、b間的電勢差,可采用“等勢法”。分析圖甲電路可知:當

時,a、b兩電勢相等,把R1=20

kΩ、R2=10

kΩ、R3=40

kΩ,代入上式可得Rt=20

kΩ。若溫度降低時,電阻Rt>20

kΩ,電壓鑒別器會令開關S接通,恒溫箱內的電熱絲發熱,使箱內溫度升高。由圖乙可知此時的溫度為35

℃,C選項對。-28-答案C-29-3.現有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻器、開關和若干導線。如圖所示,試設計一個控溫電路。要求溫度低于某一溫度時,電爐絲自動通電供熱,超過某一溫度時,又自動斷電,畫出電路圖說明工作原理。-29-3.現有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻-30-答案

見解析解析

(1)電路圖如圖所示。(2)工作過程,閉合S,當溫度低于設計值時,熱敏電阻阻值大,通過電磁繼電器電流不能使它工作,K接通電爐絲加熱,當溫度達到設計值時,熱敏電阻減小到某值,通過電磁繼電器的電流達到工作電流,K斷開,電爐絲斷電,停止加熱,當溫度低于設計值,又重復前述過程。-30-答案見解析-31-4.傳感器擔負著信息的采集任務,在自動控制中發揮著重要作用,傳感器能夠將感受到的物理量(如溫度、光、聲等)轉換成便于測量的量(通常是電學量),例如熱敏傳感器,主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻,熱敏電阻隨溫度變化的圖線如圖甲所示,圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡單自動報警器線路圖。問:-31-4.傳感器擔負著信息的采集任務,在自動控制中發揮著重-32-(1)為了使溫度過高時報警器鈴響,c應接在

(選填“a”或“b”)。

(2)若使啟動報警的溫度提高些,應將滑動變阻器滑片P點向

移動(選填“左”或“右”)。

(3)如果在調試報警器達最低報警溫度時,無論如何調節滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作,且電路連接完好,各電路元件都能處于工作狀態,則造成工作電路實際不能工作的原因可能是

。

-32-(1)為了使溫度過高時報警器鈴響,c應接在-33-答案

(1)a

(2)左

(3)c接在b上解析

由熱敏電阻隨溫度的變化曲線可知,當溫度升高時,其電阻減小,此時電路中的電流增大,故電磁鐵把銜鐵吸引過來,為使報警器工作,c應接在a上。若使啟動報警的溫度提高些,因熱敏電阻的阻值更小,故應增大滑動變阻器的電阻,即把P向左移動。報警器不能工作,說明報警器電路處于斷路,可能是c接在b上。-33-答案(1)a(2)左(3)c接在b上-34-5.如圖a所示為測量血壓的壓力傳感器在工作時的示意圖,薄金屬片固定有4個電阻R1、R2、R3、R4,圖b是它的側面圖,這4個電阻連接成電路如圖c,試回答:(1)開始時,金屬片中央O點未加任何壓力,欲使電壓表無示數,則4個電阻應滿足怎樣的關系?(2)當O點加一個壓力F后發生形變,這時4個電阻也隨之發生形變,形變后各電阻大小如何變化?(3)電阻變化后,電路A、B兩點哪點電勢高?它為什么能測血壓?-34-5.如圖a所示為測量血壓的壓力傳感器在工作時的示意圖-35-答案

見解析解析

(1)本問題是求電路A、B兩點的電壓與4個電阻的關系,由于電壓表的電阻可以看作無窮大,因此本電路是R1與R2串聯,R3與R4串聯,然后它們再并聯,設上面部分電流為I1,下面部分電流為I2,要使A點電勢等于B點電勢,則應有電阻R1上的電壓等于R3上的電壓,電阻R2上的電壓等于R4上的電壓,即I1R1=I2R3;I1R2=I2R4,可得(2)當O點加垂直于金屬片的壓力后,金屬片發生形變,由于電阻是固定在金屬片上的,因此R1、R4被拉長,R2、R3被拉寬,即R1、R4增大,R2、R3減小,這時A、B兩點電勢不再相等。-35-答案見解析-36-(3)電阻R1、R4增大,它兩端的電壓將增大,電阻R2、R3減小,它兩端的電壓將減小,所以A點的電勢將高于B點的電勢。當測量血壓時,血管對薄金屬片產生壓力F,血壓越高,壓力F越大,金屬片的形變越顯著,電阻變化越大,A、B兩點電勢差也越大,因而電壓表讀數越大,于是就能根據電壓表示數的大小來測量血壓的高低了。-36-(3)電阻R1、R4增大,它兩端的電壓將增大,電阻R實驗16利用傳感器制作簡單

的自動控制裝置實驗16利用傳感器制作簡單

的自動控制裝置-38-一、實驗目的1.利用傳感器制作簡單的自動控制裝置。2.通過實驗認識傳感器,體會非電學量轉換成電學量的好處。-2-一、實驗目的-39-二、各類傳感器工作原理(一)要制作出符合要求的傳感器,就要知道所用敏感材料的特性,根據這個特性才能選擇合適的材料,確定其最佳的工作區間。許多傳感器的敏感元件在外界條件發生變化時,其電學量也將發生變化。那么電學量與外界條件究竟有著怎樣的關系呢?對于不同的敏感元件,其關系是不一樣的。比如熱敏電阻所用材料根據其溫度特性可分為三類:(1)正溫度系數的熱敏材料(PTC),它的電阻隨溫度的上升而增加。(2)負溫度系數的熱敏材料(NTC),它的電阻隨溫度的上升而下降。(3)臨界溫度系數的熱敏材料(CTC),它的電阻在很小的溫度范圍(臨界)內急劇下降。-3-二、各類傳感器工作原理-40-這三種熱敏材料的溫度特性曲線如圖所示,由圖可知,PTC和CTC型熱敏電阻在一定溫度范圍內,阻值隨溫度而劇烈變化,因此常用作開關元件,在溫度測量中使用最多的是NTC型熱敏電阻。1.溫度傳感器的應用——電熨斗(1)構造:如圖所示。-4-這三種熱敏材料的溫度特性曲線如圖所示,由圖可知,PTC-41-(2)原理常溫下,上、下觸點應是接觸的,但溫度過高時,由于雙金屬片受熱膨脹系數不同,上部金屬膨脹大,下部金屬膨脹小,則雙金屬片向下彎曲,使觸點分離,從而斷開電源,停止加熱。溫度降低后,該金屬片恢復原狀,重新接通電路加熱,這樣循環進行,起到自動控制溫度的作用。-5-(2)原理-42-2.力傳感器的應用——電子秤(1)構造:常見的力傳感器是由金屬梁和應變片組成。(2)原理如圖所示,彈簧鋼制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各貼一個應變片,在梁的自由端施加力F,則橫梁發生彎曲,上表面拉伸,下表面壓縮,上表面的電阻變大,下表面的電阻變小。F越大,彎曲型變量越大,應變片的電阻變化就越大。如果讓應變片中的電流保持恒定,那么上面應變片兩端的電壓變大,下面應變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。外力越大,輸出的電壓差值也就越大。圖中應變片把物體形變這個力學量轉換為電壓這個容易測量的電學量。(3)應用:電子秤、測量其他各種力。-6-2.力傳感器的應用——電子秤-43-3.聲傳感器的應用——話筒(1)話筒的作用:話筒是一種傳感器,能將聲信號轉換為電信號。(2)原理(以電容式話筒為例):如圖所示,Q是絕緣支架,薄金屬膜M和嘲定電極N形成一個電容器,被直流電源充電。當聲波使膜片振動時,電容發生變化,電路中形成變化的電流,于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規律相同的電壓。(3)優點:保真度比動圈式話筒好。-7-3.聲傳感器的應用——話筒-44-4.光傳感器的應用——機械式鼠標器(1)構造:滾球、滾軸與碼盤、紅外發射管與紅外接收管。(2)原理:鼠標移動時,滾球運動通過軸帶動兩個碼盤轉動,紅外接收管就收到斷續的紅外線脈沖,輸出相應的電脈沖信號,計算機分別統計x、y兩個方向的脈沖信號,處理后就使屏幕上的光標產生相應的位移。-8-4.光傳感器的應用——機械式鼠標器-45-5.磁傳感器——霍爾元件(1)定義:是把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量的一種元件。(2)霍爾效應與霍爾電壓如圖所示,厚度為h、寬為d的導體板放在垂直于它的磁感應強度為B的均勻磁場中,當電流通過導體板時,在導體板的上側面A和下側面A'之間會產生電勢差,這種現象稱為霍爾效應。實驗表明,當磁場不太強時電勢差UH、電流I和磁感應強度B的關系為:-9-5.磁傳感器——霍爾元件-46-式中的比例系數RH稱為霍爾系數,I為控制電流,d為薄片厚度,UH為霍爾電動勢。如果,稱為霍爾元件的靈敏度,則上式可寫為UH=KHIB。可見,霍爾元件的輸出電壓正比于控制電流I和磁感應強度B。(3)霍爾效應的應用霍爾效應廣泛應用于半導體材料的測試和研究中。例如用霍爾效用以確定一種半導體材料是電子型還是空穴型。半導體內載流子的濃度受溫度、雜質以及其他因素的影響很大,因此霍爾效應為研究半導體載流子濃度的變化提供了重要的方法。-10-式中的比例系數RH稱為霍爾系數,I為控制電流,d為薄-47-(二)學會用傳感器設計控制電路傳感器問題具有涉及的知識點多、綜合性強和能力要求高等特點,但不管怎樣,搞清其工作原理是求解這類問題的關鍵。因此,求解時必須結合題目提供的信息,認真分析傳感器所在的電路結構,并注意以下兩個方面的問題:(1)確定傳感器所感受到的物理量(如力、熱、光、聲、磁等);(2)轉換電路把輸出轉換成電學量信號,通過元件把敏感元件的輸出轉換成電學量信號,最后借助于轉換電路把電學量信號轉換成便于處理顯示、記錄或控制的量。傳感器的工作過程如下圖所示。-11-(二)學會用傳感器設計控制電路-48-命題點一命題點二

用溫度傳感器設計控制電路

典例1(2016·全國卷Ⅰ)現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統,要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60℃

時,系統報警。提供的器材有:熱敏電阻,報警器(內阻很小,流過的電流超過Ic時就會報警),電阻箱(最大阻值為999.9Ω),直流電源(輸出電壓為U,內阻不計),滑動變阻器R1(最大阻值為1000Ω),滑動變阻器R2(最大阻值為2000Ω),單刀雙擲開關一個,導線若干。在室溫下對系統進行調節。已知U約為18V,Ic約為10mA;流過報警器的電流超過20mA時,報警器可能損壞;該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小,在60℃時阻值為650.0Ω。-12-命題點一命題點二用溫度傳感器設計控制電路-49-命題點一命題點二(1)完成待調節的報警系統原理電路圖的連線。

(2)電路中應選用滑動變阻器

(填“R1”或“R2”)。

-13-命題點一命題點二(1)完成待調節的報警系統原理電路圖-50-命題點一命題點二(3)按照下列步驟調節此報警系統:①電路接通前,需將電阻箱調到一固定的阻值,根據實驗要求,這一阻值為

Ω;滑動變阻器的滑片應置于

(選填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是

。

②將開關向

(選填“c”或“d”)端閉合,緩慢移動滑動變阻器的滑片,直至

。

(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變,將開關向另一端閉合,報警系統即可正常使用。-14-命題點一命題點二(3)按照下列步驟調節此報警系統:-51-命題點一命題點二答案:(1)連線如圖所示。(2)R2(3)①650.0

b

接通電源后,流過報警器的電流會超過20mA,報警器可能損壞②c

報警器開始報警-15-命題點一命題點二答案:(1)連線如圖所示。-52-命題點一命題點二解析:(1)先用電阻箱替代熱敏電阻,連接成閉合回路進行調試。電路圖連接如答案所示。(2)當電路中電流Ic=10

mA時,根據閉合電路歐姆定律有Ic=,解得R總=1

800

Ω,此時熱敏電阻的阻值為650

Ω,則滑動變阻器的阻值為1

150

Ω,所以滑動變阻器選R2。(3)①當熱敏電阻阻值小于650

Ω時,報警器就會報警,用電阻箱替代熱敏電阻進行調節,應把電阻箱的阻值調到650

Ω。若接通電源后電路中的電流過大(超過20

mA),報警器就會損壞,電流越小越安全,所以為了電路安全,閉合開關前滑片應置于b端。②用電阻箱替代熱敏電阻進行調試,應將開關向c端閉合,開關閉合后要減小電路中的電阻直至報警器報警。-16-命題點一命題點二解析:(1)先用電阻箱替代熱敏電阻,-53-命題點一命題點二涉及傳感器實驗問題的解題方法1.明確實驗目的。2.了解各類傳感器的工作過程,探究敏感元件的特性。掌握傳感器的簡單使用。3.理解傳感器能夠將感受到的物理量(力、熱、光、聲等)轉換成便于測量的量(一般是電學量)。4.知道其工作過程。-17-命題點一命題點二涉及傳感器實驗問題的解題方法-54-命題點一命題點二力電傳感器、光敏傳感器的應用典例2某學生為了測量一物體的質量,找到一個力電轉換器,該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k)。如圖所示,測量時先調節輸入端的電壓,使轉換器空載時的輸出電壓為0;而后在其受壓面上放一物體,即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U。現有下列器材:力電轉換器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個,開關及導線若干,待測物體(可置于力電轉換器的受壓面上)。(1)設計一個電路,要求力電轉換器的輸入電壓可調,并且使電壓的調節范圍盡可能大,畫出完整的測量電路圖;(2)簡要說明測量步驟,求出比例系數k,并測出待測物體的質量m。-18-命題點一命題點二力電傳感器、光敏傳感器的應用-55-命題點一命題點二答案

見解析解析

本題是傳感器的應用問題,考查實驗與探究能力,完成簡單的實驗設計。力電轉換器雖然是一個全新的儀器,但它與其他所有的測量儀器一樣,要有一個“調零”的過程。仔細審題,題目中有很多重要的暗示,挖掘這些信息即是我們解決問題的關鍵。“測量時先調節輸入端的電壓,使轉換器空載時的輸出電壓為0;而后在其受壓面上放一物體,即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U”“該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k)”,所以輸出電壓U=kmg。題目要求“力電轉換器的輸入電壓可調,并且使電壓的調節范圍盡可能大”,這就暗示我們滑動變阻器必須使用分壓式,有了設計電路才可以進行測量步驟。-19-命題點一命題點二答案見解析-56-命題點一命題點二(1)設計電路如圖所示。(2)測量步驟如下:①調節滑動變阻器,使轉換器的輸出電壓為零;②將質量為m0的砝碼放在轉換器的受壓面上,記下輸出電壓U0;③將待測物體放在轉換器的受壓面上,記下輸出電壓U1;-20-命題點一命題點二(1)設計電路如圖所示。-57-1.(2017·高考江蘇卷)某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置,實驗原理電路圖如圖甲所示,繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯接在電源E兩端,當繼電器的電流超過15mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實現溫控。繼電器的電阻約20Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如下表所示。-21-1.(2017·高考江蘇卷)某同學通過實驗制作一個簡-58-(1)提供的實驗器材有:電源E1(3V,內阻不計)、電源E2(6V,內阻不計)、滑動變阻器R1(0~200Ω)、滑動變阻器R2(0~500Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱(0~999.9Ω)、開關S、導線若干。為使該裝置實現對30~80℃之間任一溫度的控制,電源E應選用

(選填“E1”或“E2”),滑動變阻器R應選用

(選填“R1”或“R2”)。

甲

乙

-22-(1)提供的實驗器材有:電源E1(3V,內阻不計)-59-(2)實驗發現電路不工作。某同學為排查電路故障,用多用電表測量各接點間的電壓,則應將如圖乙所示的選擇開關旋至

(選填“A”“B”“C”或“D”)。

(3)合上開關S,用調節好的多用電表進行排查。在圖甲中,若只有b、c間斷路,則應發現表筆接入a、b時指針

(選填“偏轉”或“不偏轉”),接入a、c時指針

(選填“偏轉”或“不偏轉”)。

(4)排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻為50℃時被吸合,下列操作步驟的正確順序是

(填寫各步驟前的序號)。

①將熱敏電阻接入電路②觀察到繼電器的銜鐵被吸合③斷開開關,將電阻箱從電路中移除④合上開關,調節滑動變阻器的阻值⑤斷開開關,用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調至108.1Ω-23-(2)實驗發現電路不工作。某同學為排查電路故障,用多-60-答案:(1)E2

R2

(2)C

(3)不偏轉

偏轉

(4)⑤④②③①解析:(1)當溫度控制在30

℃,銜鐵被吸合時,Rt兩端的電壓約為Ut=IRt=0.015×200

V=3

V,繼電器兩端的電壓U'=IR'=0.015×20

V=0.3

V,故需電源電動勢大于3

V,選E2。當溫度控制在80

℃時,電路中的總電阻R總==400

Ω,遠大于熱敏電阻、繼電器以及滑動變阻器R1的電阻的總和,故滑動變阻器選R2。(2)A擋位測量電阻值,B擋位測量交流電壓,C擋位測量直流電壓,D擋位測量電流值,故為測量各接入點的電壓,應將開關旋至C擋。-24-答案:(1)E2R2(2)C(3)不偏轉偏轉-61-(3)若bc間斷路,ab只與電源正極相連通,ab間無電壓,如圖故多用電表指針不偏轉。若bc間斷路,a點與電源正極相連通,c點與電源負極相連通,a、c兩點間的電壓為電源電動勢。如圖故多用電表指針偏轉。-25-(3)若bc間斷路,ab只與電源正極相連通,ab間無-62-(4)要想保證溫度控制在50

℃,由題目表中可得Rt=108.1

Ω,因此我們要用電阻箱代替熱敏電阻,把電阻箱電阻調整到108.1

Ω,閉合電路調節滑動變阻器,讓繼電器吸合(即讓電路中的電流為15

mA),再將電阻箱移除,將熱敏電阻接入電路,完成實驗。-26-(4)要想保證溫度控制在50℃,由題目表中可得Rt-63-2.如圖甲為在溫度為10℃左右的環境中工作的某自動恒溫箱原理圖,箱內的電阻R1=20kΩ、R2=10kΩ、R3=40kΩ,Rt為熱敏電阻,它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示,當a、b端電壓Uab≤0時,電壓鑒別器會令開關S接通,恒溫箱內的電熱絲發熱,使箱內溫度升高;當a、b端電壓Uab>0時,電壓鑒別器會令開關S斷開,停止加熱。則恒溫箱內的溫度可保持在(

)A.10℃ B.20℃ C.35℃ D.45℃

-27-2.如圖甲為在溫度為10℃左右的環境中工作的某自動-64-答案

C

解析要確定a、b間的電勢差,可采用“等勢法”。分析圖甲電路可知:當

時,a、b兩電勢相等,把R1=20

kΩ、R2=10

kΩ、R3=40

kΩ,代入上式可得Rt=20

kΩ。若溫度降低時,電阻Rt>20

kΩ,電壓鑒別器會令開關S接通,恒溫箱內的電熱絲發熱,使箱內溫度升高。由圖乙可知此時的溫度為35

℃,C選項對。-28-答案C-65-3.現有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動變阻器、開關和若干導線。如圖所示,試設計一個控溫電路。要求溫度低于某一溫度時,電爐絲自動通電供熱,超過某一溫度時,又自動斷電,畫出電路圖說明工作原理。-29-3.現有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁