- 2.03 MB
- 2021-04-27 发布
传感器及其应用
知识体系构建
专题一 传感器的工作原理及应用
1.
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．传感器原理如下面框图所示．
专题归纳整合
2.
应用
(1)
传感器的应用过程包括三个环节：感、传、用．
①
“
感
”
是指传感器的敏感元件感受信息
;
②“
传
”
是指通过电路等将传感器敏感元件获取的信息传给执行机构．
③“用
”
是指执行机构利用传感器传来的信息进行某种显示或某种动作．
(2)
传感器问题具有涉及的知识点多、综合性强、能力要求高等特点，而传感器的形式又多种多样，有的原理甚至较难理解．但不管怎样，搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键．因此，求解时必须结合题目提供的所有信息，认真分析．
(3)
很多与传感器有关的较复杂的实际应用问题，只是借助传感器的外壳，实际考查的是利用所学物理知识，分析问题，处理问题的能力．
特别提醒：
传感器是将非电学量转变为电学量的装置，应用时经常与闭合电路的相关知识进行分析、计算．
氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测．它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化，在如图甲所示的电路中，不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察仪表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标，有一种氧化锡传感器
,
其技术资料中给出的是电导
(
即电阻的倒数
)
例
1
—
浓度曲线如图乙，请判断图丙中，电压表示数
U
0
与一氧化碳浓度
c
之间的对应关系正确的是
(
)
【
精讲精析
】
当一氧化碳浓度增大时，传感器的电导增大，电阻
R
传
减小，由闭合电路欧姆定律知，电路中的电流
I
＝
E
/(
R
0
＋
R
＋
R
传
＋
r
)
增大，电压表的示数
U
0
＝
IR
0
＝
ER
0
/(
R
0
＋
R
＋
R
传
＋
r
)
增大，故
C
、
D
错误，由题图知
,
传感器的电导与浓度成正比，传感器的电阻
R
传
与浓度成反比，但电压表的示数
U
0
与传感器的电阻
R
传
并不成正比关系，所以，电压表示数
U
0
与一氧化碳浓度
c
之间的关系图线并不是直线，
A
错，答案为
B.
【
答案
】
B
专题二 传感器与力学综合
传感器是以一定的精度和规律，将所感受到的物理量
(
如力、热、磁、光、声等
)
转换成便于测量的量
(
一般是电学量
)
的一类元件，其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件感受到的信号按一定规律转换成便于测量、便于利用和便于处理的信号．
本专题将传感器与力学知识、物体的运动相结合，分析时应弄清楚力和力变化的含义，电信号对应于物体运动的什么情况，然后利用力学的有关知识进行分析．
用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为
2.0 kg
的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器
a
、
b
上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．
例
2
现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器
b
在前，传感器
a
在后．汽车静止时，两弹簧处于压缩状态，传感器
a
、
b
的示数均为
10 N(
取
g
＝
10 m/s
2
)
．
(1)
若传感器
a
的示数为
14 N
、
b
的示数为
6.0 N
,
求此时汽车的加速度大小和方向．
(2)
当汽车以怎样的加速度运动时，传感器
a
的示数为零．
【
审题指导
】
审题时注意题干中
“
两弹簧处于压缩状态
”
说明，传感器和滑块均受到压力的作用，分析滑块受力时要注意有几个物体对它产生作用力．
【
精讲精析
】
(1)
如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力
F
1
＝
14 N
，右侧弹簧对滑块的向左的推力
F
2
＝
6.0 N.
滑块所受合力产生加速度
a
1
，根据牛顿第二定律有
F
1
－
F
2
＝
ma
1
，得
a
1
＝
4 m/s
2
，
a
1
与
F
1
同方向，即向前
(
向右
)
．
(2)
传感器
a
的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力
F
1
′
＝
0 N
，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为
F
2
′
＝
20 N
．滑块所受合力产生加速度为
a
2
，由牛顿第二定律得
F
2
′
＝
ma
2
，
解得：
a
2
＝
10 m/s
2
，方向向左．
【
答案
】
(1)4 m/s
2
a
1
与
F
1
同方向，即向前
(
向右
)
(2)10 m/s
2
，方向向左
【
误区警示
】
解答此题时易犯的错误有两个：一是不清楚传感器示数表示传感器受力的大小，二是不能够根据示数及变化，正确的判断滑块受力及受力情况的变化．两个相同的弹簧，一个形变量的改变
(
如增加
)
一定等于另一个的形变量的改变
(
减小
)
，一个弹力的变化大小
(
如增大
)
一定等于另一个弹力的变化大小
(
减小
)
．
专题三 与传感器相关的电路设计实验
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，因此今后将是高考的热点之一，考查内容常与力学及电路问题结合起来．体现了一定的设计和创新能力．
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
R
P
在不同照度下的阻值如表：
照度
(Lx)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻
(k
Ω
)
75
40
28
23
20
18
例
3
(1)
根据表中数据，请在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．
(2)
如图所示，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
)
提供的器材如下：
光敏电阻
R
P
，电源
E
(
电动势
3 V
，内阻不计
)
；定值电阻：
R
1
＝
10 k
Ω
，
R
2
＝
20 k
Ω
，
R
3
＝
40 k
Ω
(
限选其中之一并在图中标出
)
，开关
S
及导线若干．
【
精讲精析
】
(1)
光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如图所示．
特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大而非线性减小
(
2)
设计电路如图所示．
当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 k
Ω
，两端电压为
2 V
，而电源电动势为
3 V
，所以应加上一个分压电阻，分得的电压为
1 V
，由串联电路的分压特点得，分压电阻阻值应为
10 k
Ω
，故选用定值电阻
R
1
.
【
答案
】
见精讲精析