5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置（原卷版）

5.3利用傳感器制作簡單的自動控制裝置基礎導學要點一、傳感器應用的一般模式要點二、力傳感器的應用——電子秤1．組成：電子秤使用的測力裝置是力傳感器，常用的一種力傳感器是由金屬粱 和應變片 組成的．敏感元件： 應變片 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，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲 ，上表面 拉伸，下表面 壓縮 ，上表面應變片的電阻 變大，下表面應變片的電阻變小，F越大，彎曲形變越大，如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應變片兩端的電壓變大，下表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 ．3．作用：應變片將物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量．要點三、溫度傳感器的應用——電熨斗、電飯鍋1．電熨斗(1)構造(如下圖所示)它主要由調溫旋鈕、升降螺絲、絕緣支架、觸點、雙金屬片、彈性銅片、電熱絲、金屬底板等幾部分組成．(2)敏感元件：雙金屬片(3)工作原理：溫度變化時，由于雙金屬片上層金屬與下層金屬的 膨脹系數 不同，雙金屬片發(fā)生彎曲從而控制電路的通斷．2．電飯鍋(1)構造(如圖所示)(2)敏感元件：感溫鐵氧體(3)工作原理：①居里溫度：感溫鐵氧體常溫下具有鐵磁性，溫度上升到 約103℃時，失去鐵磁性，這一溫度稱為“居里溫度”．②自動斷電原理：用手按下開關通電加熱，開始煮飯，當鍋內加熱溫度達到 103℃ 時，鐵氧體失去磁性，與永久磁鐵失去吸引力，被彈簧片彈開，從而推動杠桿使觸點開關斷開．3．測溫儀(1)敏感元件熱敏電阻，金屬熱電阻，熱電偶，紅外線敏感元件等．(2)工作原理敏感元件將 溫度轉換成 電信號 ，由指針式儀表或數字式儀表顯示出來．要點四、光傳感器的應用——火災報警器1．構造：帶孔的罩子內裝有發(fā)光二極管 、光電三極管和不透明的 擋板 ．2．工作原理：帶孔的罩子內裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．平時，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現高電阻狀態(tài)．煙霧進入罩內后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變?。c傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報．3．常見的光傳感器：光敏電阻、光電管、光電二極管、光電三極管等.要點突破突破一：傳感器問題分析1．分析思路物理傳感器是將所感受的物理量(如力、熱、光等)轉換為便于測量的電學量的器件．我們可以把傳感器的應用過程分為三個步驟：(1)信息采集(2)信息加工、放大、傳輸(3)利用所獲得的信息執(zhí)行某種操作．2．分析傳感器問題要注意四點(1)感受量分析要明確傳感器所感受的物理量，如力、熱、光、磁、聲等．(2)輸出信號分析明確傳感器的敏感元件，分析它的輸入信號及輸出信號，以及輸入信號與輸出信號間的變化規(guī)律．(3)電路結構分析認真分析傳感器所在的電路結構，在熟悉常用電子元件工作特點基礎上，分析電路輸出信號與輸入信號間的規(guī)律．(4)執(zhí)行機構工作分析傳感器的應用，不僅包含非電學量如何向電學量轉化的過程，還包含根據所獲得的信息控制執(zhí)行機構進行工作的過程．突破二：在生產、生活中常見傳感器的應用1．生活中的傳感器(1)與溫度控制相關的家用電器：電飯煲、電冰箱、微波爐、空調、消毒碗柜等，都用到溫度傳感器．(2)紅外傳感器：自動門、家電遙控器、生命探測器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器等．(3)照相機中的光傳感器和家用便攜式電子秤的壓力傳感器等．2．農業(yè)生產中的傳感器(1)濕度傳感器：判斷農田的水分蒸發(fā)情況，自動供水或停水．(2)溫度傳感器和濕度傳感器，可對上百個點進行溫度和濕度監(jiān)測．由于有了十分先進可靠的測試技術，有效地減少了霉變現象．3．工業(yè)生產中的傳感器(1)生產的自動化和半自動化．用機器人、自動化小車、自動機床、各種自動生產線或者系統，代替人完成加工、裝配、包裝、運輸、存儲等工作．各種傳感器使生產的自動運行保持在最佳狀態(tài)，以確保產品質量，提高效率和產量，節(jié)約原材料等．(2)在數控機床中的位移測量裝置，就是利用高精度位移傳感器進行位移測量，從而實現對零部件的精密加工．典例精析題型一：力傳感器的應用例一．用如圖所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動時的加速度．該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個壓力傳感器A和B.用兩根相同的輕彈簧夾著一個質量m＝2.0kg的滑塊，滑塊可無摩擦滑動，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器A、B上，其壓力的大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出．當彈簧作用在傳感器上的力為壓力時，示數為正；當彈簧作用在傳感器上的力為拉力時，示數為負．現將裝置沿運動方向固定在汽車上．汽車靜止時，A、B的示數均為10N．(g取10m/s2)(1)若傳感器A的示數為14.0N，B的示數為6.0N，求此時汽車的加速度大小和方向；(2)當汽車以什么樣的加速度運動時，傳感器A的示數為零？變式遷移1：某種加速度計的構造示意圖如圖所示，沿汽車運動方向安裝的固定光滑桿上套一質量為m的滑塊，滑塊兩側分別與勁度系數均為k的彈簧相連，兩彈簧的另一端與固定壁相連．滑塊原來靜止，彈簧處于自然長度，滑塊上有指針，可通過標尺測出滑塊的位移，然后通過控制系統進行測定加速度．設某段時間內汽車沿水平方向運動，指針向左偏離O點的距離為x，則這段時間內汽車的加速度()A．方向向左，大小為eq\f(kx,m)B．方向向右，大小為eq\f(kx,m)C．方向向左，大小為eq\f(2kx,m) D．方向向右，大小為eq\f(2kx,m)題型二：溫度傳感器的應用例二．圖是電飯煲的電路圖，S1是一個溫控開關，手動閉合后，當溫度達到居里點(103℃)時，此開關會自動斷開．S2是一個自動溫控開關，當溫度低于70℃時，會自動閉合；溫度高于80℃時，會自動斷開．紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈．電阻R1＝R2＝500Ω，加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計．(1)分析電飯煲的工作原理．(2)計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下，電飯煲消耗的電功率之比．(3)簡要回答，如果不閉合開關S1能將飯煮熟嗎？變式遷移2：如圖所示是家用電冰箱的壓縮啟動裝置的電路．其中的運行繞組是電冰箱在工作時電動機定子，由于家用交流電是單相的，啟動時必須依靠啟動繞組的幫助才能產生旋轉磁場．在啟動繞組的支路中串聯有一個PTC元件．這是一種以鈦酸鋇為主要材料的熱敏電阻器，電流流過PTC元件，元件發(fā)熱，它的電阻率隨溫度升高而發(fā)生顯著變化，當電動機轉起來正常以后，PTC元件溫度較高，電阻很大，啟動繞組電流很小，以下判斷正確的是()A．電冰箱的電動機啟動時比正常工作時耗電少B．電冰箱的電動機正常工作時比啟動時耗電少C．電冰箱啟動后，啟動繞組功率不變，運行繞組功率是變化的D．電冰箱啟動后，啟動繞組功率是變化的，運行繞組功率不變題型三：光傳感器的應用例三．如右圖所示，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電阻，D為發(fā)光二極管(電流越大，發(fā)光越強)，且R與D距離不變，下列說法中正確的是()A．當滑動觸頭向左移動時，L消耗的功率增大B．當滑動觸頭向左移動時，L消耗的功率減小C．當滑動觸頭向右移動時，L消耗的功率可能不變D．無論怎樣移動滑動觸頭，L消耗的功率都不變變式遷移3：用遙控器調換電視機頻道的過程，實際上就是傳感器把光信號轉換成電信號的過程．下列屬于這類傳感器的是()A．紅外報警裝置B．走廊照明燈的聲控開關C．自動洗衣機中的壓力傳感裝置D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器強化訓練選擇題1、如圖所示是一位同學設計的防盜門報警器的簡化電路示意圖。門打開時，紅外光敏電阻R3受到紅外線照射，電阻減小；門關閉時會遮蔽紅外線源（紅外線源沒有畫出）。經實際試驗，燈的亮、滅情況的確能反映門的開、關狀態(tài)。門打開時兩燈的發(fā)光情況及R2兩端電壓UR2與門關閉時相比（）A．紅燈亮，UR2變大 B．綠燈亮，UR2變大C．綠燈亮，UR2變小 D．紅燈亮，UR2變小2、如圖是利用太陽能給LED路燈供電的自動控制電路的示意圖。是光敏電阻，是保護定值電阻，日光充足時，電磁繼電器把銜鐵吸下，接入電路，太陽能電池板給蓄電池充電，光線不足時，銜鐵被彈簧拉起，與接入電路，蓄電池給LED路燈供電，路燈亮起，下列關于該電路分析正確的是（）A．該光敏電阻阻值隨光照強度增大而增大B．增加電源電動勢可以增加路燈照明時間C．增大保護電阻阻值可延長每天路燈照明時間D．并聯更多的LED路燈可延長每天路燈照明時間3、如圖甲所示，條形碼掃描筆的原理是掃描筆頭在條形碼上勻速移動時，遇到黑色線條，發(fā)光二極管發(fā)出的光線將被吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗；遇到白色間隔，光線被反射到光敏三極管，三極管呈低阻抗。光敏三極管將條形碼變成一個個電脈沖信號，信號經信號處理系統處理，即完成對條形碼信息的識別，等效電路圖如圖乙所示，其中R為光敏三極管的等效電阻，為定值電阻，下列判斷正確的是（）A．當掃描筆頭在黑色線條上移動時，信號處理系統獲得高電壓B．當掃描筆頭在白色間隔上移動時，信號處理系統獲得低電壓C．掃描速度對信號處理系統接收到的電壓信號無影響D．掃描筆頭外殼出現破損時可能無法正常工作4、如圖所示為某電容式話筒的原理示意圖。Q為絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電。對著話筒說話時，M振動而N可視為不動。下列說法正確的是（）A．該話筒的傳感器是薄金屬膜MB．傳感器的敏感元件是M、N組成的電容器C．M、N間的電壓始終等于電源電壓D．傳感器將聲波信號轉換為電容器的電容5、利用某半導體的電阻隨溫度升高而減小的