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传感器知能整合与专题突破-敏感电阻传感器-力电传感器应用详细信息
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传感器知能整合与专题突破

知识网络 → 提纲挈领 一览无余

 

专题突破 系统归纳 提升智能


综合讲解·各个击破
专题1敏感电阻传感器
一、压敏电阻:压敏电阻对外界压力变化十分敏感,当压力变大(小)时,其电阻阻值明显地变小(大)。
二、热敏电阻:热敏电阻是将温度信号转换成电信号的元件,其电阻值随温度升高(降低)显著变小(大)。
三、光敏电阻:光敏电阻的阻值与光的照射强度有关,当光照强度变大(变小)时,光敏电阻的阻值就显著减小(增大)。
四、磁敏电阻:磁敏电阻的阻值与所处的磁场的磁感应强度大小有关,当磁场的磁感应强度稍微增大(减弱)时,电阻的阻值明显变大(减小)。
五、气敏电阻:气敏电阻与处在的某种气体的浓度有关,当气体的浓度稍微增大(减小)时,其电阻值会明显减小(增大)。
例1(2009年高考北京理综卷)单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量(以下简称流量)。由一种利用电磁原理测量非磁性导电液体(如自来水、啤酒等)流量的装置,称为电磁流量计。它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成。
传感器的结构如图所示,圆筒形测量管内壁绝缘,其上装有一对电极宜城教育资源网www.ychedu.com和c,a,c间的距离等于测量管内径D,测量管的轴线与a、c的连接放像以及通过电线圈产生的磁场方向三者相互垂直。当导电液体流过测量管时,在电极a、c的间出现感应电东势E,并通过与电极连接的仪表显示出液体流量Q。设磁场均匀恒定,磁感应强度为B。
(1)已知宜城教育资源网www.ychedu.com,设液体在测量管内各处流速相同,试求E的大小(宜城教育资源网www.ychedu.com去3.0)
(2)一新建供水站安装了电磁流量计,在向外供水时流量本应显示为正值。但实际显示却为负值。经检查,原因是误将测量管接反了,既液体由测量管出水口流入,从如水口流出。因为已加压充满管道。不便再将测量管拆下重装,请你提出使显示仪表的流量指示变为正直的简便方法;
(3)显示仪表相当于传感器的负载电阻,其阻值记为宜城教育资源网www.ychedu.com a、c间导电液体的电阻r随液体电阻率色变化而变化,从而会影响显示仪表的示数。试以E、R。r为参量,给出电极a、c间输出电压U的表达式,并说明怎样可以降低液体电阻率变化对显示仪表示数的影响。
解析:(1)导电液体通过测量管时,相当于导线做切割磁感线的运动,在电极a、c 间切割感应线的液柱长度为D, 设液体的流速为v,则产生的感应电动势为E=BDv ;由流量的定义Q=Sv=
式联立解得
代入数据得
(2)能使仪表显示的流量变为正值的方法简便,合理即可,如:
改变通电线圈中电流的方向,是磁场B反向,或将传感器输出端对调接入显示仪表。
(3)传感器的显示仪表构成闭合电路,有闭合电路欧姆定律

输入显示仪表是a、c间的电压U,流量示数和U一一对应, E 与液体电阻率无关,而r随电阻率的变化而变化,由③式可看出, r变化相应的U也随之变化。在实际流量不变的情况下,仪表显示的流量示数会随a、c间的电压U的变化而变化,增大R,使R>>r,则U≈E,这样就可以降低液体电阻率的变化对显示仪表流量示数的影响。

专题2力电传感器应用
利用敏感元件和变阻器将力学信号转换为电学信号的仪器。(如惯性导航系统、ABS防抱死制动系统等)
(1)测物体质量
(2)测物体的加(角)速度
(3)测力
(4)测位移
例2】“加速度计”作为测定物体加速度的仪器,已被广泛地应用于飞机、潜艇、导弹、航天器等装置的制导中,如图所示是“应变式加速度计”的原理图。支架AB固定在待测系统上,滑块穿在A、B间的水平光滑杆上,并用轻弹簧固接于支架A上,其下端的滑动臂可在滑动变阻器上自由滑动。随着系统沿水平方向做变速运动,滑块相对于支架发生位移,并通过电路转换为电信号从1、2两接线柱输出。


   已知滑块质量为m,弹簧劲度系数为k,电源电动势为E,内电阻为r,滑动变阻器总阻值R=4r,有效总长度为L。当待测系统静止时,滑动臂P位于滑动变阻器的中点,且1、2两接线柱输出的电压U0=0.4E,取AB方向为参考正方向。
   (1)写出待测系统沿AB方向做变速运动的加速度a与1、2两接线柱间的输出电压U间的关系式。
   (2)确定该“加速度计”的测量范围。
   解析:(1)设待测系统沿AB方向有加速度a
   则滑块将左移x,满足kx=ma
   此时U0-U=,而R′=
   故有  a=
   (2)当待测系统静止时,滑动臂P位于滑动变阻器的中点,且1、2两接线柱输出的电压U0=0.4E,故输出电压的变化范围为0≤U≤2U0,即0≤U≤0.8E,结合(1)中导出的aU的表达式,可知加速度计的测量范围是-a。

专题3传感器与图像专题
高考物理中常将传感器的图像接合起来考,一般属于实际应用型,在生产、生活和现代科技中,以解决某一实际问题为背景材料,常常给出部分电路原理框图或器件模型结构等,依给定的条件设计出相应的电路原理图。要求考生能结合给定的设计目的,依给定的器材设计出相应的电路。在解这类题目时我们要做到以下两点:
1、传感器的转换规律求解问题:根据图像分析题义,寻找联系。
2、传感器的简单电路设计:明确目的,分析原理,画电路图。
例3】(2009年山东省)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。光控开头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Rp在不同照度下的阻值如下表:


 照度(lx)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

电阻(k宜城教育资源网www.ychedu.com

75

40

28

23

20

18

 
①根据表中数据,请在给定的坐标系(见图2)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1所示,当1、2两端所加电压上升至2V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(1x)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:  光敏电源E(电动势3V,内阻不计);定值电阻:R1=10k宜城教育资源网www.ychedu.com,R2=20k宜城教育资源网www.ychedu.com,R3=40k宜城教育资源网www.ychedu.com(限选其中之一并在图中标出),开关S及导线若干。
 
   解析: ①根据给定的光敏电阻随温度变化数据表,将各点标在所给的坐标系中,最后用光滑曲线将各点连接起来,即得到光敏电阻的阻值随光照变化的曲线(图3)。由所描绘的曲线可以看出阻值随照度变化特点:光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。   ②因题目中给出光敏电源E(电动势3V,内阻不计)和三个供选择的定值电阻。条件是①当1、2两端所加电压上升至2V时,控制开关自动启动照明系统。②给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统。所以电路中应该串联上一个分压电阻。由给定的光敏电阻随温度变化数据表可知,此时光敏电阻阻值为20k宜城教育资源网www.ychedu.com。根据分压电路特点可求得分压电阻为R=10 k宜城教育资源网www.ychedu.com。所以选择R1 作为分压电阻。依给定的方框图可设计其电路原理图如图4所示。
点评:这是给定原理框图补充完成电路原理图类问题,主要考查学生在一定的情景条件下,依给定的器材设计电路的基本能力。

自我测评·及时反馈
变式训练
1、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,电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系,观察电压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)一CO浓度曲线,如图乙所示.在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是(      )


1、D;解析:
,一氧化碳浓度c增大,电导增大,电阻减小,U0增大, 一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系是正相关关系,但不是正比关系。选项D正确。

变式训练
2、角速度计可测量飞机、航天器等的转动角速度,其结构如图所示。当系统OO/转动时,元件A发生位移并输出电压信号,成为飞机、航天器等的制导系统的信号源。已知A的质量为m,弹簧的劲度系数为K、自然长度为L,电源的电动势为E、内阻不计,滑动变阻器总长度为。电阻分布均匀,系统静止时P在B点。请导出当系统以角速度ω转动时输出电压U和ω的函数式。

  1、解析:对A进行受力分析,设当角速度为ω时,弹簧伸长了
   对A用圆周运动知识列方程:
   弹簧的伸长量刚好是滑片P向右滑动的距离,此时分压
   整理两式得:

变式训练
3、(2008山东)2007年诺贝尔物理学奖授予了两位发现“巨磁电阻”效应的物理学家。材料的电阻随磁场的增加而增大的现象称为磁阻效应,利用这种效应可以测量磁感应强度。

若图1为某磁敏电阻在室温下的电阻一磁感应强度特性曲线,其中RB、RO分别表示有、无磁场时磁敏电阻的阻值。为了测量磁感应强度B,需先测量磁敏电阻处于磁场中的电阻值RB。请按要求完成下列实验。
(l)设计一个可以测量磁场中该磁敏电阻阻值的电路,在图2的虚线框内画出实验电路原理图(磁敏电阻及所处磁场已给出,待测磁场磁感应强度大小约为0.6~1.0T,不考虑磁场对电路其它部分的影响)。要求误差较小。

提供的器材如下:
A.磁敏电阻,无磁场时阻值Ro=150Ω
B.滑动变阻器R,全电阻约20Ω
C.电流表④,量程2.5mA,内阻约30Ω
D.电压表⑦,量程3v,内阻约3kΩ
E.直流电源E,电动势3v,内阻不计
F.开关S,导线若千
(2)正确接线后,将磁敏电阻置人待测磁场中.测量数据如下表:

根据上表可求出磁敏电阻的测量值RB=______Ω,
结合图l 可知待测磁场的磁感应强度B =______T 。
( 3 )试结合图l 简要回答,磁感应强度B 在0 ~0.2T 和0.4 ~1.0T 范围内磁敏电阻阻值的变化规律有何不同?
( 4 )某同学查阅相关资料时看到了图3 所示的磁敏电阻在一定温度下的电阻~磁感应强度特性曲线(关于纵轴对称),由图线可以得到什么结论?

3、解析:(1)测量不同磁感时的电阻,属于电阻的测量问题,结合题中所给仪器器材,可确定实验原理是“伏安法”。由于滑动变阻器总电阻较小,滑动变阻器采用分压式接法。从图3可以看出,加上磁场后,待测电阻阻值较大(远大于电流表内阻),为使误差较小,测量电路采用电流表内接法。实验电路连接如图下所示。

   (2)由表中数据,根据部分电路欧姆定律可算知磁敏电阻的阻值为1500Ω,由图1可读出对应的磁感强度为0.90T
(3)由图3可以看出,在0~0.2T范围内,磁敏电阻的阻值随磁感应强度非线性变化(或不均匀变化);在0.4~1.0T范围内,磁敏电阻的阻值随磁感应强度线性变化(或均匀变化)
   (4)由图3可知,磁场反向,磁敏电阻的阻值不变。
点评: 此题中实验电路的设计,关键还在于对“伏安法”测电阻这一基本方法的熟练掌握与理解。

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