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2019-2020年高中物理 第三章 第三、四節(jié) 傳感器的應(yīng)用 用傳感器制作自控裝置學(xué)案 粵教版選修3-2 1．了解傳感器應(yīng)用的一般模式． 2．能夠用傳感器的工作原理簡單分析傳感器的應(yīng)用． 3．練習(xí)用傳感器制作自動(dòng)控制裝置． 1．傳感器在生活中、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中、工業(yè)生產(chǎn)中、航空、航天等方面得到廣泛應(yīng)用． 2．傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例有熱電傳感器、聲電傳感器、力電傳感器、自動(dòng)控制等． 3．溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)例有電飯煲、電冰箱、微波爐、消毒碗柜等；紅外線遙控器的應(yīng)用實(shí)例有電視遙控器、紅外測(cè)溫儀等；光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例有：照相機(jī)、路燈控制系統(tǒng)等． 前言 看過007系列電影的人總會(huì)羨慕男主角詹姆斯邦德的那輛無人駕駛汽車，無人駕駛汽車，其實(shí)為智能汽車，也可以稱之為輪式移動(dòng)機(jī)器人．智能系統(tǒng)，主要由三部分組成：導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)．車載主控計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)(相當(dāng)于駕駛員的眼睛)提供的道路信息、車前情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定繼續(xù)前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車，相當(dāng)于駕駛員的大腦；自動(dòng)駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動(dòng)力學(xué)，向方向盤、油門和剎車控制器發(fā)出動(dòng)作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛． 發(fā)展史 發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行無人駕駛汽車研究，目前在可行性和實(shí)用性方面，美國和德國走在前列．我國在無人駕駛汽車的開發(fā)方面要比國外稍晚．國防科技大學(xué)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)研究.1989年，我國首輛智能小車在國防科技大學(xué)誕生．由上海和歐盟科學(xué)家合作的中國城市交通中的無人駕駛技術(shù)(CyberC3)項(xiàng)目取得了階段性成果，首輛城市無人駕駛車在上海交通大學(xué)研制成功，準(zhǔn)備在xx年世博會(huì)上一展身手．筆者查閱了關(guān)于無人駕駛汽車的導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)這方面的許多資料，現(xiàn)拿來與大家共饗． 導(dǎo)航技術(shù)是無人駕駛汽車行駛的基礎(chǔ)，是“眼睛”．目前常用的技術(shù)包括磁導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航等． 一、磁導(dǎo)航技術(shù) 磁導(dǎo)航是目前最成熟可靠的方案，現(xiàn)大多數(shù)均采用這種導(dǎo)航技術(shù)．在道路上埋設(shè)一定的導(dǎo)航設(shè)備(如磁釘或電線)，通過變換磁極朝向進(jìn)行編碼，可以向車輛傳輸?shù)缆诽匦孕畔?，諸如位置、方向、曲率半徑、下一個(gè)道路出口位置等信息，從而為汽車指明去向．例如，荷蘭阿姆斯特丹國際機(jī)場(chǎng)和鹿特丹的Park Shuttle系統(tǒng)，上海交通大學(xué)的CyberC3系統(tǒng)，都采用了此技術(shù)，在無軌自動(dòng)伸縮門也有應(yīng)用．磁導(dǎo)航最大的優(yōu)點(diǎn)是不受天氣等自然條件的影響，即使風(fēng)沙或大雪埋沒路面也一樣有效．但此系統(tǒng)實(shí)施過程比較繁瑣，且不易維護(hù)，變更運(yùn)營線路需重新埋設(shè)導(dǎo)航設(shè)備． 二、視覺導(dǎo)航技術(shù) 視覺導(dǎo)航主要技術(shù)是視覺傳感器(CCD攝像機(jī)，紅外攝像機(jī))，利用傳感器獲取汽車相對(duì)于環(huán)境內(nèi)的參照物的位置關(guān)系(1米～500米)信息．CCD攝像機(jī)是首選的“眼睛”．其核心為電荷耦合器件圖像傳感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存．CCD上植入許多微小光敏物質(zhì)，通常以百萬像素為單位．當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)光敏物質(zhì)會(huì)將電荷反映在組件上，所有的光敏物質(zhì)所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面．由其制作的攝像機(jī)具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)．一般為了使拍攝到得景象和肉眼看到的相同，攝像機(jī)在鏡頭和CCD之間加裝了一個(gè)紅外濾光鏡，其作用就是阻擋紅外線進(jìn)入CCD，讓CCD只能感應(yīng)到可見光，這樣就使數(shù)碼攝像機(jī)拍攝到的影像和我們?nèi)庋劭吹降挠跋裣嘁恢铝耍藬z像機(jī)在黑暗及夜間就不易工作了，這樣無人汽車便成了“盲車”． 為解決此問題，需要為車加上“夜眼”——紅外攝像機(jī)．紅外攝像機(jī)會(huì)發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的物體，紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入鏡頭進(jìn)行成像，拍攝到了由紅外線反射所成的影像，即此時(shí)可拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像．從而使無人駕駛汽車可在夜間安全行駛．目前大多數(shù)的紅外攝像機(jī)都采用LED紅外發(fā)光二極管作為紅外攝像機(jī)的主要發(fā)光材料．紅外攝像機(jī)具有夜視距離遠(yuǎn)、隱蔽性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等突出優(yōu)勢(shì)，多用在監(jiān)視系統(tǒng)中．目前兩者特性兼?zhèn)涞臄z像機(jī)已廣泛應(yīng)用． 視覺導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)現(xiàn)有的道路結(jié)構(gòu)做變化，并且在混合交通中，也可使用；其缺點(diǎn)為，當(dāng)風(fēng)沙、大霧等自然因素致使能見度過低或路面上的白色標(biāo)線不清晰時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)失效．但由于視覺導(dǎo)航對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的要求很低，被公認(rèn)為是最有前景的定位方法． 結(jié)語 無人駕駛汽車是未來汽車發(fā)展的方向，人類在不久的將來會(huì)用上智能型無人駕駛汽車．無人駕駛汽車在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，從根本上改變了傳統(tǒng)車輛的控制方式，可大大提高交通系統(tǒng)的效率和安全性．隨著高科技的發(fā)展，我國無人駕駛車輛技術(shù)將會(huì)不斷發(fā)展，其功能也將更完善，學(xué)科內(nèi)容將會(huì)更豐富，產(chǎn)業(yè)化前景更美好． 一、單項(xiàng)選擇題 1．下列關(guān)于傳感器的說法中正確的是(D) A．霍爾元件能夠把電學(xué)量轉(zhuǎn)換為磁學(xué)量 B．干簧管是一種能夠感知電場(chǎng)的傳感器 C．電子秤應(yīng)用的是光傳感器 D．電飯鍋通過溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制 解析：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量，A錯(cuò)誤；干簧管是一種能夠感知磁場(chǎng)的傳感器，能起到開關(guān)作用，B錯(cuò)誤；電子秤應(yīng)用的是力傳感器，C錯(cuò)誤；D正確． 2．某小型電磁繼電器，其中L為含鐵芯的線圈．P為可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵片，K為彈簧，S為一對(duì)觸頭，A、B、C、D為四個(gè)接線柱．電磁繼電器與傳感器配合，可完成自動(dòng)控制的要求如圖所示．其工作方式是(A) A．A與B接信號(hào)電壓，C與D跟被控電路串聯(lián) B．A與B接信號(hào)電壓，C與D跟被控電路并聯(lián) C．C與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路串聯(lián) D．C與D接信號(hào)電壓，A與B跟被控電路并聯(lián) 解析：A、B接電磁繼電器線圈，所以A、B應(yīng)接信號(hào)電壓，線圈隨信號(hào)電壓變化使電磁繼電器相吸或釋放，從而使C、D接通或斷開，進(jìn)而起到控制作用．故正確答案為A. 3．壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖(a)所示，將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個(gè)絕緣重球．小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過程中，電流表示數(shù)如圖(b)所示，下列判斷正確的是(D) A．從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．從t1到t2時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng) C．從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng) D．從t2到t3時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng) 解析：由圖(b)看出，從t1到t2時(shí)間內(nèi)，電流增大，說明壓敏電阻的阻值減小，所受壓力增大，小車做加速度增大的加速直線運(yùn)動(dòng)，A、B錯(cuò)；從t2到t3時(shí)間內(nèi)，電流不變，說明此時(shí)壓敏電阻的阻值不變，所受壓力不變，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)，D對(duì)． 4．如下圖所示是會(huì)議室和賓館房間的天花板上裝有的火災(zāi)報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理圖：罩內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板．平時(shí)光電三極管接收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，下列說法正確的是(C) A．進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧遮擋了光線，使光電三極管電阻更大，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào) B．發(fā)生火災(zāi)時(shí)，光電三極管溫度升高，電阻變小，檢測(cè)電路檢測(cè)出變化發(fā)出警報(bào) C．發(fā)生火災(zāi)時(shí)，進(jìn)入罩內(nèi)的煙霧對(duì)光有散射作用，部分光線照到光電三極管上，電阻變小，發(fā)出警報(bào) D．以上說法均不正確 解析：平時(shí)，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．當(dāng)有煙霧散射的光照射到電光三極管上時(shí)，其電阻變小，所連接的電路接通，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，C正確． 二、多項(xiàng)選擇題 5．關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說法正確的是(BD) A．應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成 B．當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，其電阻變大，反之變小 C．傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓 D．外力越大，輸出的電壓差值也越大 解析：應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成，A錯(cuò)，B對(duì)；傳感器輸出的是上、下兩應(yīng)變片上的電壓差，并且隨著外力的增大，輸出的電壓差值也就越大，故C錯(cuò)，D對(duì)． 6．電容式話筒的保真度比動(dòng)圈式話筒好，其工作原理如右圖所示，Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個(gè)電容器，被直流電源充電，當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，當(dāng)膜片向右運(yùn)動(dòng)的過程中有(AC) A．電容變大 B．電容變小 C．導(dǎo)線AB中有向左的電流 D．導(dǎo)線AB中有向右的電流 解析：由C＝＝，當(dāng)膜片向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，d減小，C變大，A對(duì)；因U不變，則Q變大，即直流電源繼續(xù)對(duì)電容充電，C對(duì)． 7．有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如右圖所示的電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法中正確的是(AC) A．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻 B．置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻 C．用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻 D．用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻 解析：由定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件的性質(zhì)，可以判斷A和C對(duì)． 8．如圖所示為一種自動(dòng)跳閘的閘刀開關(guān)，O是轉(zhuǎn)動(dòng)軸，A是絕緣手柄，C是閘刀卡口，M、N接電源線，閘刀處于垂直紙面向里、B＝1 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，CO間距離為10 cm，當(dāng)磁場(chǎng)力為0.2 N時(shí)，閘刀開關(guān)會(huì)自動(dòng)跳開．則要使閘刀開關(guān)能跳開，CO中通過的電流的大小和方向?yàn)?BD) A．電流方向C→O B．電流方向O→C C．電流大小為1 A D．電流大小為2 A 解析：由左手定則知，電流的方向?yàn)镺→C，由B＝得I＝＝2 A. 9．壓敏電阻的阻值會(huì)隨所受壓力的增大而減?。煌瑢W(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷升降機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，如圖甲所示，將壓敏電阻平放在升降機(jī)內(nèi)，受壓面朝上，在上面放一物體m，升降機(jī)靜止時(shí)電流表示數(shù)為I0.某過程中電流表的示數(shù)如圖乙所示，則在此過程中(BD) A．物體處于失重狀態(tài) B．物體處于超重狀態(tài) C．升降機(jī)一定向上做勻加速運(yùn)動(dòng) D．升降機(jī)可能向下做勻減速運(yùn)動(dòng) 解析：由乙圖知電流強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼亩?，而加在壓敏電阻兩端的電壓不變，說明壓敏電阻的阻值減小，即物體對(duì)壓敏電阻的壓力增大，物體所受支持力大于重力，升降機(jī)勻加速上升或勻減速下降，處于超重狀態(tài)，故選B、D. 三、非選擇題(按題目要求作答．解答題應(yīng)寫出必要的文字說明、方程和重要演算步驟，答案中必須明確寫出數(shù)值和單位．) 10．(1)按圖所示連接好電路，合上S，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，原因是________________________________________________________________________； (2)用電吹風(fēng)對(duì)熱敏電阻吹一會(huì)兒，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡____________，原因是________________________________________________________________________； (3)把熱敏電阻放入冷水中會(huì)發(fā)現(xiàn)________． 答案：(1)溫度低，熱敏電阻阻值大，電磁鐵磁性弱，觸點(diǎn)斷開　(2)發(fā)光　溫度升高，熱敏電阻阻值變小，電磁鐵磁性增強(qiáng)，觸點(diǎn)接觸　(3)燈泡熄滅 11．電熱毯、電飯鍋等是人們常用的電熱式家用電器，它們一般具有加熱和保溫功能，其工作原理大致相同．圖甲為某種電熱式電器的簡化電路圖，主要元件有電阻絲R1、R2和自動(dòng)開關(guān)S. (1)當(dāng)自動(dòng)開關(guān)S閉合和斷開時(shí)，用電器分別處于什么狀態(tài)？ (2)用電器由照明電路供電(U＝220 V)，設(shè)加熱時(shí)用電器的電功率為400 W，保溫時(shí)用電器的電功率為40 W，則R1和R2分別為多大？ (3)若將圖甲中的自動(dòng)開關(guān)S換成理想的晶體二極管D，如圖乙所示，其他條件不變，求該用電器工作1小時(shí)消耗的電能． 解析：加熱時(shí)，消耗的電功率要大；保溫時(shí)，消耗的電功率要?。秒娖鲀啥说碾妷罕３植蛔?，所以本題判斷功率的變化，依據(jù)公式P＝可知，要使消耗的功率變大，連入電路的阻值就要減小，因此開關(guān)S閉合時(shí)，處于加熱狀態(tài)；斷開時(shí)，處于保溫狀態(tài)． (1)S閉合，處于加熱狀態(tài)；S斷開，處于保溫狀態(tài)． (2)由電功率公式得：P1＝，P2＝， 聯(lián)立得：R1＝121 Ω，R2＝1 089 Ω. (3)該電器一小時(shí)消耗的電能： W＝P1＋P2＝0.22 kWh(7.92105 J) 答案：見解析