2019-2020年高中物理 第三章 第三、四节 传感器的应用 用传感器制作自控装置学案 粤教版选修3-2.doc

2019-2020年高中物理 第三章 第三、四节 传感器的应用 用传感器制作自控装置学案 粤教版选修3-21了解传感器应用的一般模式2能够用传感器的工作原理简单分析传感器的应用3练习用传感器制作自动控制装置1传感器在生活中、农业生产中、工业生产中、航空、航天等方面得到广泛应用2传感器在实际中的应用实例有热电传感器、声电传感器、力电传感器、自动控制等3温度传感器的应用实例有电饭煲、电冰箱、微波炉、消毒碗柜等；红外线遥控器的应用实例有电视遥控器、红外测温仪等；光敏电阻的应用实例有：照相机、路灯控制系统等前言看过007系列电影的人总会羡慕男主角詹姆斯邦德的那辆无人驾驶汽车，无人驾驶汽车，其实为智能汽车，也可以称之为轮式移动机器人智能系统，主要由三部分组成：导航传感器系统、主控计算机系统和自动驾驶仪系统车载主控计算机和相应的路径规划软件根据导航传感器系统(相当于驾驶员的眼睛)提供的道路信息、车前情况以及自身的行驶状态，决定继续前进还是换道准备超车，相当于驾驶员的大脑；自动驾驶控制软件按照需要跟踪的路径和汽车行驶动力学，向方向盘、油门和刹车控制器发出动作指令，操纵汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用，从而实现无人驾驶发展史发达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究，目前在可行性和实用性方面，美国和德国走在前列我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外稍晚国防科技大学从20世纪80年代开始进行该项技术研究.1989年，我国首辆智能小车在国防科技大学诞生由上海和欧盟科学家合作的中国城市交通中的无人驾驶技术(CyberC3)项目取得了阶段性成果，首辆城市无人驾驶车在上海交通大学研制成功，准备在xx年世博会上一展身手笔者查阅了关于无人驾驶汽车的导航传感器系统这方面的许多资料，现拿来与大家共飨导航技术是无人驾驶汽车行驶的基础，是“眼睛”目前常用的技术包括磁导航和视觉导航等一、磁导航技术磁导航是目前最成熟可靠的方案，现大多数均采用这种导航技术在道路上埋设一定的导航设备(如磁钉或电线)，通过变换磁极朝向进行编码，可以向车辆传输道路特性信息，诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信息，从而为汽车指明去向例如，荷兰阿姆斯特丹国际机场和鹿特丹的Park Shuttle系统，上海交通大学的CyberC3系统，都采用了此技术，在无轨自动伸缩门也有应用磁导航最大的优点是不受天气等自然条件的影响，即使风沙或大雪埋没路面也一样有效但此系统实施过程比较繁琐，且不易维护，变更运营线路需重新埋设导航设备二、视觉导航技术视觉导航主要技术是视觉传感器(CCD摄像机，红外摄像机)，利用传感器获取汽车相对于环境内的参照物的位置关系(1米500米)信息CCD摄像机是首选的“眼睛”其核心为电荷耦合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存CCD上植入许多微小光敏物质，通常以百万像素为单位当CCD表面受到光线照射时，每个光敏物质会将电荷反映在组件上，所有的光敏物质所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面由其制作的摄像机具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点一般为了使拍摄到得景象和肉眼看到的相同，摄像机在镜头和CCD之间加装了一个红外滤光镜，其作用就是阻挡红外线进入CCD，让CCD只能感应到可见光，这样就使数码摄像机拍摄到的影像和我们肉眼看到的影像相一致了此摄像机在黑暗及夜间就不易工作了，这样无人汽车便成了“盲车”为解决此问题，需要为车加上“夜眼”红外摄像机红外摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，拍摄到了由红外线反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像从而使无人驾驶汽车可在夜间安全行驶目前大多数的红外摄像机都采用LED红外发光二极管作为红外摄像机的主要发光材料红外摄像机具有夜视距离远、隐蔽性强、性能稳定等突出优势，多用在监视系统中目前两者特性兼备的摄像机已广泛应用视觉导航的优点是不需要对现有的道路结构做变化，并且在混合交通中，也可使用；其缺点为，当风沙、大雾等自然因素致使能见度过低或路面上的白色标线不清晰时，导航系统会失效但由于视觉导航对基础设施的要求很低，被公认为是最有前景的定位方法结语无人驾驶汽车是未来汽车发展的方向，人类在不久的将来会用上智能型无人驾驶汽车无人驾驶汽车在交通领域的应用，从根本上改变了传统车辆的控制方式，可大大提高交通系统的效率和安全性随着高科技的发展，我国无人驾驶车辆技术将会不断发展，其功能也将更完善，学科内容将会更丰富，产业化前景更美好一、单项选择题1下列关于传感器的说法中正确的是(D)A霍尔元件能够把电学量转换为磁学量B干簧管是一种能够感知电场的传感器C电子秤应用的是光传感器D电饭锅通过温度传感器实现温度的自动控制解析：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，A错误；干簧管是一种能够感知磁场的传感器，能起到开关作用，B错误；电子秤应用的是力传感器，C错误；D正确2某小型电磁继电器，其中L为含铁芯的线圈P为可绕O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求如图所示其工作方式是(A)AA与B接信号电压，C与D跟被控电路串联BA与B接信号电压，C与D跟被控电路并联CC与D接信号电压，A与B跟被控电路串联DC与D接信号电压，A与B跟被控电路并联解析：A、B接电磁继电器线圈，所以A、B应接信号电压，线圈随信号电压变化使电磁继电器相吸或释放，从而使C、D接通或断开，进而起到控制作用故正确答案为A.3压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图(a)所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图(b)所示，下列判断正确的是(D)A从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动解析：由图(b)看出，从t1到t2时间内，电流增大，说明压敏电阻的阻值减小，所受压力增大，小车做加速度增大的加速直线运动，A、B错；从t2到t3时间内，电流不变，说明此时压敏电阻的阻值不变，所受压力不变，小车做匀加速直线运动，C错，D对4如下图所示是会议室和宾馆房间的天花板上装有的火灾报警器的结构原理图：罩内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板平时光电三极管接收不到LED发出的光，呈现高电阻状态，发生火灾时，下列说法正确的是(C)A进入罩内的烟雾遮挡了光线，使光电三极管电阻更大，检测电路检测出变化发出警报B发生火灾时，光电三极管温度升高，电阻变小，检测电路检测出变化发出警报C发生火灾时，进入罩内的烟雾对光有散射作用，部分光线照到光电三极管上，电阻变小，发出警报D以上说法均不正确解析：平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态当有烟雾散射的光照射到电光三极管上时，其电阻变小，所连接的电路接通，就会发出警报，C正确二、多项选择题5关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(BD)A应变片是由导体材料制成B当应变片的表面拉伸时，其电阻变大，反之变小C传感器输出的是应变片上的电压D外力越大，输出的电压差值也越大解析：应变片多用半导体材料制成，A错，B对；传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故C错，D对6电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如右图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，当膜片向右运动的过程中有(AC)A电容变大B电容变小C导线AB中有向左的电流D导线AB中有向右的电流解析：由C，当膜片向右运动时，d减小，C变大，A对；因U不变，则Q变大，即直流电源继续对电容充电，C对7有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如右图所示的电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是(AC)A置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻B置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻C用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻解析：由定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件的性质，可以判断A和C对8如图所示为一种自动跳闸的闸刀开关，O是转动轴，A是绝缘手柄，C是闸刀卡口，M、N接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、B1 T的匀强磁场中，CO间距离为10 cm，当磁场力为0.2 N时，闸刀开关会自动跳开则要使闸刀开关能跳开，CO中通过的电流的大小和方向为(BD)A电流方向CO B电流方向OCC电流大小为1 A D电流大小为2 A解析：由左手定则知，电流的方向为OC，由B得I2 A.9压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程中(BD)A物体处于失重状态B物体处于超重状态C升降机一定向上做匀加速运动D升降机可能向下做匀减速运动解析：由乙图知电流强度变为原来的二倍，而加在压敏电阻两端的电压不变，说明压敏电阻的阻值减小，即物体对压敏电阻的压力增大，物体所受支持力大于重力，升降机匀加速上升或匀减速下降，处于超重状态，故选B、D.三、非选择题(按题目要求作答解答题应写出必要的文字说明、方程和重要演算步骤，答案中必须明确写出数值和单位)10(1)按图所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是_；(2)用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡_，原因是_；(3)把热敏电阻放入冷水中会发现_答案：(1)温度低，热敏电阻阻值大，电磁铁磁性弱，触点断开(2)发光温度升高，热敏电阻阻值变小，电磁铁磁性增强，触点接触(3)灯泡熄灭11电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器，它们一般具有加热和保温功能，其工作原理大致相同图甲为某种电热式电器的简化电路图，主要元件有电阻丝R1、R2和自动开关S.(1)当自动开关S闭合和断开时，用电器分别处于什么状态？(2)用电器由照明电路供电(U220 V)，设加热时用电器的电功率为400 W，保温时用电器的电功率为40 W，则R1和R2分别为多大？(3)若将图甲中的自动开关S换成理想的晶体二极管D，如图乙所示，其他条件不变，求该用电器工作1小时消耗的电能解析：加热时，消耗的电功率要大；保温时，消耗的电功率要小用电器两端的电压保持不变，所以本题判断功率的变化，依据公式P可知，要使消耗的功率变大，连入电路的阻值就要减小，因此开关S闭合时，处于加热状态；断开时，处于保温状态(1)S闭合，处于加热状态；S断开，处于保温状态(2)由电功率公式得：P1，P2，联立得：R1121 ，R21 089 .(3)该电器一小时消耗的电能：WP1P20.22 kWh(7.92105 J)答案：见解析