分类
物理

高中物理“交变电流”和“传感器”主题教学研究

专题讲座

高中物理“交变电流”和“传感器”主题教学研究

赵谨(北京市育英学校,高级教师)

第一单元:“交变电流”主题教学研究

一、“交变电流”主题的知识结构与内容分析

(一)“交变电流”的知识框图

 


(二)、“交变电流”主题的特点及在中学物理中的作用

“交变电流”包括三个部分:第一部分是交变电流,包括交变电流的概念、产生描述;第二部分是简单交流电路,包括电感的概念、电感对交变电流的作用,电容的概念、电容对交变电流的作用;第三部分,是变压器和电能的输送,包括变压器的工作原理,变压器的电压比和电流比跟变压器线圈匝数的关系,输电线上的电能损耗及输电原理。

“交变电流”突出了3个特点: 第一注重学生的自主学习和探究性学习;第二注意将直流与交变电流的特点进行比较;第三重视与实际生活的联系。

“交变电流”的知识是《电磁感应》知识的具体应用和延伸,是高中物理电磁学知识的收尾,也是《恒定电流》内容的进一步扩展。交变电流的概念多,空间关系复杂,推理能力和运用数学的能力要求比较高,同时还与生活实践紧密联系,综合性较强。

二、“交变电流”主题的教学策略

(一)“交变电流”主题的高考要求与课标要求

1.“交变电流”的高考要求  

内      容

要求 说  明
52.常用传感器的工作原理

64.交流发电机及其产生正弦式电流的原理.正弦式电流的图像和三角函数表达.最大值与有效值.周期与频率

65.电阻、电感和电容对交变电流的作用

66.变压器的原理.原、副线圈电压、电流的关系

67.电能的输送

只要求讨论单相理想变压器

2.“交变电流”的课标要求

(1)内容标准

a.知道交变电流,能用函数表达式和图象描述交变电流。

例1 用示波器观察交变电流的波形,并测算其峰值和有效值。

b.通过实验,了解电容器和电感器对交变电流的导通和阻碍作用。

例2 用灯泡或交流电流表观察电容器和电感器对交变电流的阻碍作用。

c.通过实验,探究变压器电压与匝数的关系。

例3 观察生活中常见的变压器,了解其作用。

d了解从变电站到住宅的输电过程,知道远距离输电时应用高电压的道理。

例4 查阅资料,了解直流输电的原理,比较交流输电和直流输电的特点。

(2)重点

正弦交流电的产生原理分析;

正弦交流电的描述;

交流电有效值的意义;

变压器工作原理及原副线圈电压、功率、电流的关系。

(3)难点

交变电流的变化规律及应用和有效值意义。

(4)方法

描述交流电的两种基本方法(公式法、图象法),将立体图转化为平面图形的方法。

3.“交变电流”的各部分具体教学要求

(1)交变电流产生的具体教学要求

教学目标:

a.会观察电流(或电压)的波形图,理解交变电流、直流的概念。

b.分析线圈转动一周中电动势与电流方向的变化,能对交变电流的产生有比较清楚的了解,具有应用基本原理解决新情景下问题的能力。

c.知道交变电流的变化规律及方法,知道交变电流的峰值、瞬时值的物理含义。

重点、难点:

交变电流的变化规律。

(2)描述交变电流的物理量的的具体教学要求

教学目标:

a.知道交变电流的周期、频率的含义,以及它们之间的相互关系知道我国生产和生活用电的周期(频率)大小。

b.知道交变电流的峰值和有效值的意义,能利用有效值定义计算某些交变电流的有效值。

c.会运用正弦交流电有效值公式进行计算。

d.具有运用类比、迁移的科学方法分析新问题的意识和能力。

重点:交变电流有效值概念。

难点:交变电流有效值概念及计算。

(3)电感和电容对交变电流的影响的具体教学要求

教学目标:

a.通过实验,了解电感线圈和电容器对交变电流有阻碍和导通作用。

b.知道感抗和容抗的物理意义及其影响因素。

c.通过猜想、设想、实验、交流合作与分析论证,体验科学探究过程。

重点:电感、电容对交变电流的阻碍作用,感抗、容抗的物理意义。

难点:感抗的概念及影响感抗大小的因素,容抗概念及影响容抗大小的因素。

(4)变压器的具体教学要求

教学目标:

a.知道几种常见变压器的构造,理解变压器的工作原理。

b.探究理想变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。

c.了解变压器在生活中的应用。

重点:通过实验探究理想变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。

难点:理想变压器电压与匝数的关系的分析推导。

(5)电能的输送的具体教学要求

教学目标:

a.了解从发电站到变电所再到用户的过程。知道远距离输电时采用高压输电的道理。

b.掌握输电过程中的能量关系。

c.引导学生积极主动探索,发现问题,解决问题在学习知识的同时获得一定的成就感。

重点:理解高压输电可减少功率与电压损失的原理。

难点:理解高压输电原理,区别输电电压和损失电压。

(二)、“交变电流”主题的教学策略

1.   交变电流的产生和描述的教学建议在实验的基础上让学生自主探究

(1)首先是重视演示实验的教学,让学生在观察中不断思考,理解交流电的产生原理。可以通过示波器观察几种典型的电流,如恒定电流、正弦交流电、脉冲信号等,让学生看到电流的大小和方向都有可能发生改变,引入交流电概念。然后利用交流发电机模型,演示交变变流的产生过程。观察到,矩形线圈在匀强磁场中,绕垂直于磁场的转动轴匀速转动时,闭合电路中可以产生电流,两个二极管交替发光可以知道产生的电流是交变电流。注意:演示实验用高亮度发光二极管效果更好,需要串联300~500Ω的保护电阻。另外,交流发电机模型输出的电流可以接入示波器,观察产生的电流的变化情况。

       

在前面实验的基础上,可以改装交流发电机模型,让转柄转动一圈,线圈也只能转动一圈,串入灵敏电流计。尽量慢速均匀的旋转线圈,让学生观察在线圈转动一圈的时间内电流的变化规律。

在利用课件进行展示让学生进行深入分析和思考,了解交流电的产生及变化规律。

(2)在建立空间模型的基础上让学生学会如何将立体图转化为平面图。在交流电的产生的教学中对学生进行画图能力的训练是个很好的素材。也为后面的分析奠定基础,分散了难度。例如:

(3)在观察演示实验的基础上,让学生进行深入思考与讨论,注重培养学生的自主学习和探究性学习的习惯与能力。根据学生的基础情况,可以提出适合学生的思考题。

例如,在分析交变电流产生原理时,可以提出以下问题:

a.矩形线圈转动过程中,哪些边会产生电动势?

b.怎样画出便于分析的平面图?

c.甲图所示时刻线圈中电流为多大?在线圈由甲转到乙的过程中,AB中电流向哪个方向流动?大小如何变化?到乙图所示时刻,线圈中电流大小有何特点?

d.在线圈由乙转到丙的过程中,AB中电流向哪个方向流动?大小如何变化?到丙图所示时刻,线圈中电流大小有何特点?

e.在线圈由丙转到丁的过程中,AB中电流向哪个方向流动?大小如何变化?到丁图所示时刻,线圈中电流大小有何特点?

f.在线圈由丁转到甲的过程中,AB中电流向哪个方向流动?大小如何变化?

g.当线圈转到什么位置时线圈中没有电流?转到什么位置时电流最大?这些位置磁通量和磁通量的变化率有什么特点?

h.大致画出通过电流表的电流随时间变化的图线,从E流向F的电流为正,反之为负。

例如,在分析交变电流电动势大小随时间变化规律时,可以提出以下问题:

a.当线圈平面与磁感线垂直时,穿过线圈的磁通量Φ的大小?线圈中感应电动势的大小?感应电流的大小?磁通量变化率的大小?引出中性面的概念。

b.电动势最大时线圈在哪个位置?此位置时穿过线圈的磁通量Φ的大小?线圈的磁通量变化率多大?感应电动势的最大值是多少?

c.线圈从中性面开始计时,以角速度ω匀速转动,经时间t 线圈与中性面的夹角多大?ab边的速度多大?ab边的速度与磁场方向的夹角? ab边垂直磁场方向的速度多大?

d.ab边产生的感应电动势多大? 一匝线圈中的感应电动势多大? N匝线圈的电动势多大?

e.线圈从中性面开始计时,以角速度ω匀速转动,经时间t 线圈的电动势的瞬时值表达式?

f.画出线圈从中性面开始计时,以角速度ω匀速转动,线圈的电动势随时间变化的图像。

g.感应电流方向何时改变?线圈转一周,感应电流方向改变几次?

h.画出线圈从中性面开始计时,以角速度ω匀速转动,穿过线圈的磁通量Φ随时间变化的图象。

问题提到什么程度要结合学生的情况,不要过于限制学生的思维,要给学生留有思考的空间,如果学生进行不下去才能提示这些问题。

2.   简单交流电路,电感、电容对交变电流的作用的教学建议采取四步教学的方法:观察实验、分析原因、得出结论、了解应用

(1)电感对交变电流的阻碍作用

a.学生观察演示实验。实验原理如图所示。实验现象:接通直流电源时,灯泡亮些;接通交变电流时,灯泡暗些。

b.学生分析原因:感抗是由于通过线圈的电流发生变化产生自感电动势对电流的变化产生阻碍作用。接通直流电流瞬间电感线圈也会产生自感现象,对电流的增大有一定的阻碍作用,当电流稳定下来后,线圈就相当于一段导线了,所以稳定时灯泡亮些;接通交变电流时,由于交变电流的大小和方向都在周期性的变化,电感线圈会不停的产生自感现象,阻碍作用电流的增大和减小,所以灯泡暗些。如果电流频率越高,磁通量变化越快,L越大,产生的自感电动势越大,阻碍作用越大,感抗也就越大。

c.学生得出结论:电感线圈有“通直流、阻交流,通低频、阻高频”特征。电感对交变电流阻碍作用的大小用感抗表示。感抗的大小公式可以给出来。

d.了解感抗的应用:

(a). 低频扼流圈:L大,几十亨。对低频交变电流有很大的阻碍作用。即“通直流、阻交流”。

(b). 高频扼流圈:L小,几毫亨。对低频交变电流阻碍小,对高频交变电流阻碍大。即“通低频、通直流,阻高频 ”

(2)电容对交变电流的阻碍作用

a.学生观察演示实验。实验原理如图所示。

实验现象1:接通直流电源时,灯泡亮一下就熄灭;接通交变电流时,灯泡一直亮着。

实验现象2:观察闭合电键前后,电路中不接电容器比接电容器时小灯泡亮得多。

b.学生分析原因1: 因电容器的两个极板被绝缘介质隔开,故直流不能通过,交流电流“通过”电容器的过程实质是电容器充放电过程,而不是电流真正通过电容器的电介质。

分析原因2: 由于电容器的充放电,对电流也有一定的阻碍作用。电容越大,在同样电压下电容器容纳电荷越多,因此充放电的电流越大,阻碍就越小;交变电流的频率越高,充放电进行得越快,充放电电流越大,阻碍越小。

c.学生得出结论:电容器的作用“通交流、隔直流,通高频、阻低频”。 同时电容器对交流电有阻碍作用。反映电容对交流的阻碍作用大小的物理量为容抗。公式为

d.了解电容的简单应用:

(a). 隔直电容:C大时,容抗较小,让交流信号通过电容,而将直流信号隔断。“隔直流,通交流”

(b). 高频旁路电容:C小时,容抗较大,让高频交流信号通过电容,而将低频信号送到下一级。“通高频,阻低频”。

3.   变压器可采取学生实验探究的教学建议通过学生实验,培养学生的探究能力

(1)实验仪器:利用可拆变压器,学生低压交流电源,多用电表或交流电压表,导线若干。

(2)注意事项:

a.连接好电路后,同组同学分别独立检查,然后由老师确认,电路连接无误才能接通电源。

b.注意人身安全。只能用低压交流电源,可使用电源交流电压为6V。

c.使用多用电表交流电压档测电压时,先用最大量程测试,然后再用适当的挡位进行测量。

(3)实验过程:

a.用可拆变压器使小灯泡发光,提出问题:灯为什么发光?

b.两端加电压表观察电压与匝数关系。思考副线圈没有与电源相连,为什么两端会有电压?

c.移动上面铁芯,从闭合到打开,观察灯泡亮度。

d.拆开可拆变压器,了解变压器的结构。

e.探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系,实验纪录表格:

实验次数

1

2

3

4

5

6

原线圈匝数n1

200

200

200

副线圈匝数n2

100

200

400

原线圈输出电压U1

 

 

 

副线圈输出电压U2

结论

f.利用电磁感应知识和能量转化的思想,思考变压器的工作原理。原线圈通以变化的电流时,会产生变化的磁场, 根据电磁感应现象,穿过副线圈的磁通量发生变化,产生了感应电动势。电能转化成磁场能,磁场能在转化为电能。

g.分析讨论变压器的变化问题,实验原理如图。

观察所有负载电键均断开,空载状态下,记录原副线圈的电压、电流及功率。逐渐闭合电键,观察灯泡亮度,记录原副线圈的电压、电流及功率。找出负载电阻变化时,原副线圈的电压、电流及功率的变化情况。

h.让学生摸一下工作后的变压器,感受热度。在前面实验基础上,引入理想变压器的概念。不计磁场的磁损、线圈电阻的铜损、铁芯涡流的铁损等各种电磁能量损失的变压器,称为理想变压器。实际变压器(特别是大型变压器)一般都可以看成是理想变压器。

4.   远距离送电的教学建议画好输电原理图,明确五个环节,理清三个关系

远距离送电过程一般有五个环节:发电机回路、升压变压器、远距离输电部分、降压变压器、用户。三个关系是:电压、电流、功率关系。画好电路图,用规范的字母和脚标表示五个环节中的电压、电流、功率三个物理量,在找出五个环节中三个物理量之间的关系,根据已知与所求找到解决问题的方法和突破口。

三、“交变电流”主题中学生常见问题分析与解决策略

(一)、在交变电流产生原理中,电动势、磁通量及磁通量的变化率三个物理量与线圈平面与磁场方向之间的关系混乱是学生的常见问题,可以从以下两个方面解决这个难点。

1.利用特殊位置的原理图在分析交变电流的产生原因中攻破难点

线圈平面与磁场方向垂直时,磁通量即穿过线圈平面的磁感线条数最多,磁通量Φ最大。此时ab、cd边的运动速度与磁场平行,由于各边都不切割磁感线,线圈中没有感应电动势,感应电流为零,这样的位置叫中性面。再根据法拉第电磁感应定律可知电动势与磁通量的变化率成正比,因此电动为零时,磁通量的变化率也一定为为零。

     

线圈平面与磁场方向平行时,磁通量即穿过线圈平面的磁感线条数为零,磁通量Φ为零。此时ab、cd边的运动速度与磁场垂直,线圈中感应电动势最大,感应电流最大。再根据法拉第电磁感应定律可知电动势与磁通量的变化率成正比,因此电动势最大时,磁通量的变化率也一定为最大。

对下面三个图进行比对,找到他们的对应位置,进一步分析电动势、磁通量及磁通量的变化率三个物理量与线圈平面与磁场方向之间的关系。电动势为零的位置就是中性面位置,线圈每次经过中性面位置感应电流方向要改变。因此线圈转一周,感应电流方向改变两次。

2.利用数学图象和电磁感应定律再次加深理解

矩形线圈在匀强磁场中,绕垂直于磁场的转动轴匀速转动时,给出磁通量Φ与时间t的关系图象,可以进一步理解不同位置时电动势的大小。例如t1时刻磁通量最大,说明此时线圈平面与磁场垂直,根据法拉第电磁感应定律电动势与磁通量的变化率成正比,某时刻磁通量的变化率就是Φ—t图象的此时刻图象上该点的切线的斜率,所以此时刻磁通量的变化率和线圈产生的电动势均为零。再如t2时刻磁通量为零,说明此时线圈平面与磁场平行,由Φ—t图象的此时刻图象上该点的切线的斜率为最大,所以此时刻磁通量的变化率和线圈产生的电动势均为最大。

现在高二学生数学课都已学过导数,在此也可以让学生学从导数意义上分析掌握电动势与磁通量的关系。

(二)、学生难以深入理解交变电流的有效值的物理意义,要解决这个问题在教学中要重视有效值的引入过程和有效值的物理意义

教学中要重视交变电流的引入在引入中渗透着交流电有效值的物理意义。可以利用这道题既是前面知识的巩固,也可以提出问题。

例题:加在一个阻值为10Ω的电阻两端的电压如图所示,这个交变电压的最大值?周期是多少?写出电压随时间变化的瞬时值表达式。4s时电压的瞬时值是多少?如果给这个电阻通电4s钟所产生的热量怎样计算?

然后再提出新问题。电饭煲标有额定电压220v,用万用表交流电压表测教室内插座的电压现实也是220v,那么220v时电压的最大值吗?由于问题比较复杂,可以先解决下面一个思考与讨论的问题。

在解决完这个问题的基础上再进一步提出如果是正弦交流电,怎样计算热量呢?可以进行下面的思想实验。

甲、乙图中电炉烧水,设壶材料相同、水质量相等、水的初温相同。若直流电源用10分钟把水烧开,而第二次用交流电时也用10分钟把水烧开。说明什么?

甲的电流是恒定的3A,用10分钟把水烧开,乙的电流是变化的,但是也用了10分钟把同样的水烧开。说明:交变电流和直流通过相同阻值的电阻,如果它们在相等时间内产生的热量相等,也叫做热的作用效果相同,简称为热效应相同,就把这一直流的数值叫做这一交变电流的有效值。因此在计算热量时,这个交变电流的有效值为3A。

概念的引入:为了反映交变电流所产生的效果,引入有效值的概念。有效值定义:使交变电流和直流通过相同阻值的电阻,如果它们在相等时间内产生的热量相等,就把这一直流的数值叫做这一交变电流的有效值。有效值特点:交变电流的有效值根据电流的热效应来规定,与电流的方向无关,但一般与所取时间的长短有关,在无特别说明时是以一个周期的时间来确定有效值的。与周期相比,一般都讨论的是较长时间的情况。

有效值与最大值之间的关系呢?任何变化的电流都有有效值,正弦交变电流的有效值怎样计算呢?经实验与数学推导,正弦交变电流的有效值与最大值有着定量的关系:对其他形式的交变电流这个关系并不适用。

关于有效值的说明:

1、通常所说照明电路的电压是220V和动力电  压380V都指的是交流的有效值

2、各种使用交流的电器设备的铭牌上所标的额定电流和额定电压的数值都是它的有效值

3、交流电压表和电流表所测的数值也是有效值

4、如果没有特别说明,一般说到交流的电动势、电压、电流或计算电功率,电热时指的都是有效值

5、通常电容器所标的耐压值指的是最大值.

(三)、学生在变压器的变化问题分析中不知从何下手,要引导学生分析变化问题要抓住变化的起因,先找出不变量,再分析各个物理量之间的逻辑关系

可以做下面的演示实验或学生实验:

逐渐闭合电键,观察灯的亮度的同时要记录原副线圈中电流、电压表的数值。最后得出结论:理想变压器原线圈两端的电压不变,副线圈两端的电压也不变,原线圈中的电流随副线圈中的电流的增大而增大;输入功率随输出功率的增大而增大,但始终遵守P=P;空载时,副线圈中的电流为零,副线圈中功率为零,则原线圈中的电流与功率也为零。

可以在分析如果负载中电阻不变,但是副线圈匝数在增大,那么电流电压功率怎样变化?

注意根据题意分清变量与不变量,明确变化的原因(原副匝数比的变化、负载电阻的变化),找出变量之间的相互制约关系,养成动态分析的思路。

利用具体练习让学生巩固。例题:如图所示的含有变压器的交流电路中,A1、A2都是交流电流表,在开关s从闭合到断开的过程中,A1、A2电流表的读数I1,和I2的变化情况是   (      )

  A.  I1变大,I2变小

  B.I1变小, I2变大

  C.I1、I2 都变小

  D.I1、I2 都变大

四、“交变电流”主题学生学习目标的检测

1.处在匀强磁场中的矩形线圈abcd,以恒定的角速度绕ab边转动,磁场方向平行于纸面并与ab垂直。在t=0时刻,线圈平面与纸面重合(如图),线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由abcda方向的感应电流为正,则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图线是

 A.                                            B.

 

 C.                                   D.

答案:C

评析:考察交流电产生原理、电流方向的判定、电流大小与线圈平面与磁场方向之间的关系以及电流与时间关系图象。

2.一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动,线圈中的感应电动势随时间的变化规律如图所示,下面说法中正确的是:

A. T1时刻通过线圈的磁通量为零;

B. T2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大;

C. T3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大;

D. 每当e变换方向时,通过线圈的磁通量的绝对值都为最大。

答案:  D

评析:利用电动势与时间关系的图象考察交流电产生原理、电动势的大小与磁通量和磁通量变化率之间的关系。

3.如图12所示,交流发电机的矩形线圈abcd中,ab=cd=50cm,bc=ad=30cm,匝数n=100,线圈电阻r=0.2Ω,外电阻R=4.8Ω。线圈在磁感强度B=0.05T的匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴OOˊ匀速转动,角速度ω=100πrad/s。求:

(1)产生感应电动势的最大值;

(2)若从图示位置开始计时,写出感应电流随时间变化的函数表达式;

(3)交流电压表和交流电流表的示数;

(4)此发电机的功率。

(5)从该位置起转过90度,通过R的电荷量Q

解析:(1)设abl1 bc=l2,则交流电动势的最大值为

=235.5V

(2)根据闭合电路欧姆定律,电流的最大值

47.1A

在图示位置时,电流有最大值,则电流的瞬时值表达式为,代入数值得

A。

(3)电流的有效值为=33.3 A,

路端电压的有效值为  U = IR = 160V,

这样,电压表的示数为160V,电流表的示数为33.3A。

(4)电动势的有效值为=167V,

则发电机的功率为     5561W。

(5)从该位置起转过90度,求通过R的电荷量Q,要用电流的平均值

评析:通过此题巩固交变电流的产生原理,学会计算和区分正弦交流电的最大值、有效值、平均值及瞬时值表达式。

4.如图3表示一交流电的电流随时间而变化的图象。此交流电流的有效值是(  ) .

A.5安              B.  5安

C.3.5安            D.  3.5安

答案:B

评析:通过此题深入理解交变电流的有效值的物理意义与热效应相等的计算方法。

5. 收录机等小型家用电器所用的稳压电源,是将220V的正弦交流电变为稳定的直流电的装置,其中的关键部分是整流电路。有一种整流电路可以将正弦交流电变成如图所示的脉动直流电(每半个周期都按正弦规律变化)。则该脉动直流电电流的有效值为(      )

答案:D

评析:通过此题深入理解正弦交变电流的有效值的物理意义与热效应相等的计算方法。

6. 如图所示,当交流电源的电压(有效值)U=220V、频率f=50Hz时,三只灯ABC的亮度相同(L无直流电阻)。

(1)将交流电源的频率变为f=100Hz,则 (       )

(2)将电源改为U=220V的直流电源,则 (      )

A.A灯比原来亮              B.B灯比原来亮

C.C灯和原来一样亮          D.C灯比原来亮

解析:

(1)电容的容抗与交流电的频率有关,频率高、容抗小,即对高频交流电的阻碍作用小,所以A对。线圈对交流电的阻碍作用随频率升高而增加,所以B错。电阻R中电流只与交流电有效值及R值有关,所以C正确。(AC)

(2)直流电无法通过电容,所以A不亮。线圈L无电阻,所以B灯比原来亮。电压值与交流电有效值相同,所以C灯亮度不变。 (BC)

评析:此题非常基础,为了让学生了解电阻、电容、电感三个元件对交变电流的不同作用。

7. 如图所示,线圈L的自感系数和电容器的电容C都很小(如L=100μH,C=100pF)。此电路的主要作用是———(    )

A.阻直流、通交流,输出交流

B.阻交流、通直流,输出直流

C.阻低频、通高频,输出高频交变电流

D.阻高频、通低频,输出低频交变电流和直流电

答案:D

评析:让学生理解电容、电感元件对交变电流的不同作用,C小时,容抗较大,让高频交流信号通过电容,而将低频信号送到下一级。“通高频,阻低频” 是高频旁路电容。L小,对低频交变电流阻碍小,对高频交变电流阻碍大。即“通低频、通直流,阻高频 ” 是高频扼流圈。

8. “二分频”音箱内有两个不同口径的扬声器,它们的固有频率分别处于高音、低音频段,分别称为高音扬声器和低音扬声器。图为音箱的电路图,高、低频混合电流由ab端输入,L1和L2是线圈,C1和C2是电容器

A.甲扬声器是高音扬声器

B.C2的作用是阻碍低频电流

C.L1的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器

D.L2的作用是减弱乙扬声器的低频电流

答案: BD

评析:L1的作用是阻碍高频电流通过甲扬声器,C1的作用是通高频电流,是的甲扬声器成为低频扬声器。L2的作用是减弱乙扬声器的低频电流,C2的作用是阻碍低频电流,使得乙扬声器是高音扬声器。通过这道题可以让学生对电容和电感线圈对交流电的影响作用的理解更加深入。

9.如图7所示为理想变压器原线圈所接交流电压的波形。原、副线圈匝数比n1∶n2=10:1,串联在原线圈电路中电流表的示数为1A,下列说法正确的是(     )

A.变压器输出端所接电压表的示数为20V

B.变压器的输出功率为200W

C.变压器输出端的交流电的频率为50Hz

D.穿过变压器铁芯的磁通量变化率的最大值为Wb/s

答案:B C D

评析:此题综合考察了变压器与交流电知识,原副线圈中电压与匝数的关系,输入功率与输出功率的关系,正弦交流电的峰值和有效值关系,同时还考察了电压表示数显示的是电压的有效值,并且还要利用法拉第电磁感应定律计算出磁通量变化率。

10. 如图甲所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为10:1,R1=20Ω,R2=30Ω,C为电容器。已知通过R1的正弦交流电如图乙所示,则( )

A.交流电的频率为0.02 Hz

B.原线圈输入电压的最大值为200高考资源网( www.ks5u.com),中国最大的高考网站,您身边的高考专家。V

C.电阻R2的电功率约为6.67 W

D.通过R3的电流始终为零

答案:C

评析:根据变压器原理可知原副线圈中电流的周期、频率相同,周期为0.02s、频率为50Hz,A错。由图乙可知通过R1的电流最大值为Im=1A、根据欧姆定律可知其最大电压为Um=20V,再根据原副线圈的电压之比等于匝数之比可知原线圈输入电压的最大值为200V,B错;因为电容器有通交流、阻直流的作用,则有电流通过R3和电容器,D错;根据正弦交流电的峰值和有效值关系并联电路特点可知电阻R2的电流有效值为I、电压有效值为UUm/V,电阻R2的电功率为P2UIW、C对。

此题考察了变压器原理可知原副线圈中电流的周期、频率相同,电流与匝数的关系,正弦交流电的峰值和有效值关系,还有电容器在电路中的作用。

11. 如图所示为理想变压器供电示意图,A为与原线圈串联的灯泡,A1、A2为副线圈的负载,当闭合开关S后(不考虑温度对灯丝电阻的影响),各灯泡亮度的变化情况是A1      ,A    

(填“变亮”、“变暗”或“不变”)

答案:A1变暗     A变亮

评析:此题由于闭合开关而其他条件不变,负载电阻减小,所以副线圈中电流增大,原线圈中的电流也增大,灯A变亮,原线圈两端的电压减小,所以副线圈两端的电压也减小,A1变暗。做这样的题要养成好的思维习惯,从变化的起因开始分析,逐渐深入。

12.使用理想变压器给总电阻为R的电路供电,变压器输入电压保持一定时,下列各项措施中,可以使变压器的输入功率一定增加的是 (     )

A. 副线圈匝数和负载R不变,增加变压器原线圈匝数

B. 原线圈匝数和负载R不变,增加变压器副线圈匝数

C.原、副线圈匝数不变,增加负载R的阻值

D. 增加负载R的阻值和原线圈匝数,副线圈匝数减少

答案:B

评析:考察变压器功率的变化。

6.(09江苏)如图所示,理想变压器的原、副线圈匝数比为1:5,原线圈两端的交变电压为u=20sin100πt V,氖泡在两端电压达到100V时开始发光,下列说法中正确的有

A.开关接通后,氖泡的发光频率为100Hz

B.开关接通后,电压表的示数为100 V

C.开关断开后,电压表的示数变大

D.开关断开后,变压器的输出功率不变

答案:AB

评析:本题主要考查变压器的知识,要能对变压器的最大值、有效值、瞬时值以及变压器变压原理、功率等问题彻底理解。由交变电压的瞬时值表达式知,原线圈两端电压的有效值为V=20V,由得副线圈两端的电压为U2=100V,电压表的示数为交流电的有效值,B项正确;交变电压的频率为Hz,一个周期内电压两次大于100V,即一个周期内氖泡能两次发光,所以其发光频率为100Hz,A项正确;开关断开前后,输入电压不变,变压器的变压比不变,故输出电压不变,C项错误;断开后,电路消耗的功率减小,输出功率决定输入功率,D项错误。

13. 某交流发电机输出功率为5×105 W,输出电压为U=1.0×103 V,假如输电线的总电阻R=10Ω,在输电线上损失的电功率等于输电功率的5%,用户使用电压U=380 V.

(1)画出输电线路的示意图(标明各部分的符号)

(2)所用升压和降压变压器的原、副线圈的匝数比是多少?(使用的变压器是理想变压器)

1:10        25:1

评析:本题考查变压器和电能的输送。考察点是从中间输电线路的损失为突破口,在输电线上损失的电功率等于输电功率的5%,人后再利用各部分电路之间的物理关系进行解决。

14.如图13所示,有一台内阻为1.0Ω的发电机,通过匝数比为1:4的升压变压器和匝数比为4:1的降压变压器向用户供电,输电线的总电阻为4.0Ω,用户共有“220V  40W”的灯泡132盏,要保证他们都正常发光,发电机的输出功率和电动势应该为多大?输电的效率为多大?

解析:设降压变压器的输出功率为P4,输出电流为I4,每个灯泡的额定功率为P0,额定电压为U0,共有n盏灯,则

                      A

得                6.0A。

I2=I3=6.0A,输电线上损失的电功率为    =144.0W

发电机的输出功率为      P1=P线P4=nP0+ P线=5424W。

又                      =24.0A

得发电机的输出电压            =226V,

在发电机与升压变压器原线圈构成的回路中,有

250V,

则输电线路的输电效率为         97.3%。

评析:本题综合考查变压器和电能的输送。出题的角度是从后向前的,从用户实际消耗出发,更像我们的实际用电情况。从用户出发,在层层向前推进,直到解决每一个环节的每一个物理量,同时此题还需要学生清楚发电效率与输电效率以及整个电路的总效率不同。

15. 一个小型水力发电站,发电机输出电压U0=250V,内电阻可以忽略不计,最大输出功率为Pm=30kw,它通过总电阻R线=2.0Ω的输电线直接向远处的居民区供电。设居民区所有用电器都是额定电压U用=220V的白炽灯,总功率为P用=22kw,不计灯丝电阻随温度的变化。

(1)当居民区的电灯全部使用时,电灯两端的电压是多少伏?发电机实际输出的功率是多大?

(2)若采用高压输电,在发电机端用升压变压器,在用户端用降压变压变压器,且不计变压器与用户线路的损耗。已知用户变压器的降压比为40:1,当全部用户电灯正常发光时,输电线上损失的功率多大?

评析:本题综合考查变压器和电能的输送。由用户的额定功率和额定电压可求出用户的电阻,线路电阻和用户电阻串联分压可求出电灯两端的电压和发电机实际输出的功率。若采用高压输电,由降压变压比可知输电线路的电流,由电流的热效应可求出输电线损耗的电功率。

解:(1)如下图甲所示         R=2.2 Ω

         U=IR≈131 V

P=U0I=14 880 W≈14.9 kW。

(2)若采用高压输电,在发电机端用升压变压器,在用户端用降压变压器如下图乙所示。

P=U4I4,U4=220 V,I4=100 A            I3=2.5 A

所以P=I32R线=12.5 W。

            

16. 曾经流行过一种向自行车车头灯供电的小型交流发电机,图1为其结构示意图。图中N、S是一对固定的磁极,abcd为固定在转轴上的矩形线框,转轴过bc边中点、与ab边平行,它的一端有一半径r0=1.0cm的摩擦小轮,小轮与自行车车轮的边缘相接触,如图1所示。当车轮转动时,因摩擦而带动小轮转动,从而使线框在磁极间转动。设线框由N=800匝导线圈组成,每匝线圈的面积S=20cm2,磁极间的磁场可视作匀强磁场,磁感强度B=0.010T,自行车车轮的关系R1=35cm,小齿轮的半径R2=4.0cm,大齿轮的半径R3=10.0cm(见图2)。现从静止开始使大齿轮加速转动,问大齿轮的角速度为多大才能使发电机输出电压的有效值U=3.2V?(假定摩擦小轮与自行车轮之间无相对滑动)

解析:

当自行车车轮转动时,通过摩擦小轮使发电机的线框在匀强磁场内转动,线框中产生一正弦交流电动势,其最大值

ε=ω0BSN

式中ω0为线框转动的角速度,即摩擦小轮转动的角速度。

发电机两端电压的有效值

U=/2εm

设自行车车轮转动的角速度为ω1,由于自行车车轮与摩擦小轮之间无相对滑动,有

R1ω1=R0ω0

小齿轮转动的角速度与自行车轮转动的角速度相同,也为ω1。设大齿轮转动的角速度为ω,有

R3ω=R2ω1

由以上各式解得

ω=(U/BSN)(R2r0/R3r1)

代入数据得

ω=3.2  s-1

评析:此题是03年全国高考理综试题,考查知识为矩形线圈在磁场中产生正弦交流电的最大值与有效值计算。但是此题能以自行车摩擦轮发电的实际情况为依托,结合物理上圆周运动知识进行考察,它源于实际,与实际结合紧密,需要学生读懂问题,建立物理模型,理清楚几个轮子之间的关系才能进行电动势的计算。

第二单元:“传感器”主题教学研究

一、“传感器主题的知识结构与内容分析

(一)、“传感器”的知识框图

 

(二)、“传感器”主题的特点及在中学物理中的作用

传感器作为信息采集重要元件,在自动控制、信息处理等技术中发挥着重要的作用。传感器技术是当今世界一项令人瞩目的高新技术之一,它的迅猛发展也成为当代科学技术发展的一个重要标志,因此传感器教学的引入也就成了高中物理新教材改革中的一大闪光点,增强了学生的学习兴趣。

“传感器”是新增内容,具有涉及的知识比较陌生,综合性较强的特点。传感器内容强调了物理学在技术和生活中的广泛应用以及物理前沿科技上的渗透与发展。

“传感器”是高中物理知识的延续与应用虽然高考要求较低,但是传感器与很多旧知识有紧密联系,对掌握和落实所学知识内容有帮助作用,同时也是学生将所学知识与生活实际相联系的具体实践。

比如霍尔电压的公式    就是利用前面所学的磁场知识,带电粒子在电场、磁场中的运动知识推倒得出的,在此结合霍尔元件的电压公式可以对怎样将磁场、距离物理量转化成电压加深理解。结合生活中利用霍尔元件测汽车转速等应用,让学生知道学习物理知识与实际生活是密切相关的。学生对于所学知识的应用也是高考的考察重点。

例如:2010年北京高考题23.利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器,广泛应用于测量和自动控制等领域。如图1,将一金属或半导体薄片垂直置于磁场B中,在薄片的两个侧面a、b间通以电流I时,另外两侧c、f间产生电势差,这一现象称为霍尔效应。其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累,于是c、f 间建立起电场EH,同时产生霍尔电势差UH。当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时,EHUH达到稳定值,UH的大小与IB以及霍尔元件厚度d之间满足关系式UH=RH IB/d,其中比例系数RH称为霍尔系数,仅与材料性质有关。

1.设半导体薄片的宽度(c、f 间距)为l,请写出UH和EH的关系式;若半导体材料是电子导电的,请判断图1中c、f 哪端的电势高;

2.已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n,电子的电荷量为e,请导出霍尔系数RH的表达式。(通过横截面积S的电流I=nevS,其中v是导电电子定向移动的平均速率);

3.图2是霍尔测速仪的示意图,将非磁性圆盘固定在转轴上,圆盘的周边等距离地嵌装着m个永磁体,相邻永磁体的极性相反。霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近。当圆盘匀速转动时,霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图3所示。

(1)a.若在时间t内,霍尔元件输出的脉冲数目为P,请导出圆盘转速N的表达式。

(2)利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程。除此之外,请你展开“智慧的翅膀”,提出另一个实例或设想。

再如图所示,在“传感器”模块中的问题与练习中的恒温箱控制电路。热敏电阻的温度升高电阻减小,电路电流将增大。当线圈中的电流大于或等于20mA时,继电器的衔铁被吸合,应该停止加热,所以加热器应该放在A、B端。这道题与闭合电路结合,通过计算可以求出调节电阻的阻值。

由此看出“传感器”模块式恰好提供了知识与应用之间的结合点,有利于对学生进行建立物理模型,解决实际问题能力的训练。

二、“传感器”主题的教学策略

(一)、“传感器”主题的课标要求是:

1.内容标准

(1)知道非电学量转换成电学量的技术意义。

(2)通过实验,知道常见传感器的工作原理。

例1 通过实验认识温度传感器将温度信号转变为电信号的作用。

(3)列举传感器在生活和生产中的应用。

例2 了解光敏传感器及其在日常生活中的应用。

2.活动建议

(1)调查日常生活中传感器的应用,对其中一种的工作原理、技术意义、经济效益进行分析。

(2)利用传感器制作简单的自动控制装置。

3.“传感器”的教学目标

(1)通过观察实验现象和生活中的常见事例,初步形成传感器的概念,感受传感技术在信息时代的作用与意义。

(2)介绍干簧管、光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件四种敏感元件,通过实验知道他们的性能,了解其工作原理,感悟基础知识学习和应用的重要性。

(3)知道非电学量转化为电学量的技术意义,进一步拓展学生的思维,进一步探讨科技发展给人类带来的利与弊。

(4)了解传感器应用的一般模式

(5)了解传感器在电子称、电熨斗、电饭锅、电冰箱、恒温箱、火警报警器加速度及等应用

(6)感受传感技术给人类生活带来的便利,拓展学生的设计思想

(7)学会分析简单的控制电路,并能够迁移到其他控制电路分析和简单的设计中

(8)让学生练习电子电路的组装,获得对自动控制电路的感性认识。

(9)学会分析简单的控制电路,并能够迁移到其他控制电路分析和简单的设计中。

(10)识别各种晶体管、逻辑集成电路块、集成电路实验板,知道各种元器件的性能和引脚关系。

(11)了解光控开关电路及控制原理,会组装光控电路。

(12)了解温度报警器及控制原理,会组装温控报警器。

4.“传感器”的能力目标

通过对应用实例的分析可以培养学生应用知识的能力。

传感器一章的能力培养;通过观察和实验培养学生的科学研究方法和探究能力;本章特别突出了理论联系实际的思想,应着重培养学生联系实际和分析具体事物的能力;让学生通过亲手实验,培养学生制作电子电路的技能和激发学生的创造力。

5.“传感器”的情感目标

注重学生学习的自主性与合作性;激发学生对物理技术的学习兴趣;激励学生树立为科学奋斗的优良品质。

(二)、“传感器”主题的教学策略

基于“传感器”是物理学在技术和生活中的广泛应用以及物理前沿科技上的渗透与发展。具有涉及的知识比较陌生,综合性较强的特点。是高中物理知识的延续与很多旧知识有紧密联系,对掌握和落实所学知识内容有帮助作用。

基于这样的特点,教学中要多观察生活中的传感器应用的实例,多进行定性研究,并带领学生制作简单传感器。重视书上的简单原理进行实验与分析,淡化具体技术问题。所以“传感器”模块的教学方法可以概括为:

一看:让学生亲眼看一些传感器的实物,看一些演示实验,看一些生活中的应用。

二做:让学生亲手做一些简单的实验

三分析:让学生在感性认识的基础上,分析电路结构和实验原理。

1.教学中要注重联系生活实际和前沿科技

“传感器”强调了物理学在技术和生活中的广泛应用和物理前沿科技上的渗透与发展,因此在此章的教学中要广泛联系生活实际和前沿科技进行介绍。让学生对传感器内容有具体的感知,激发学生的学习兴趣和对科学知识的探究精神。

介绍“勇气”火星登陆探测器。2003年6月10日,名为“勇气”的火星登陆探测器从美国的卡纳维拉尔角空军基地发射升空,这个全新设计的超级智能机器人,在206个昼夜中完成长达4.8亿公里的星际旅行。 “勇气”号长1.6米、宽2.3米、高1.5米,重174千克。它的“大脑”是一台每秒能执行约2000万条指令的计算机。勇气号已首次测量了火星上的温度。白天最高温度约为5摄氏度,最低温度约为零下15度。勇气号意外发现火星土壤里含有一种名叫橄榄石的化学物质,其形成通常与火山爆发有关。此外,科学家还在勇气号传回的土壤数据中发现了其它一些熟悉的化学元素,如等,其中镍和锌属首次发现。他们据此推断,火星表土可能是由一层颗粒较细的火山岩组成的。勇气号第一次找到火星上曾有水存在的证据。

介绍“嫦娥二号”携带七大仪器,完成四大科学重任。立体TDI—CCD相机 、激光高度计——获取月球表面三维影像,图像分辨率可达1米。X射线谱仪、γ射线谱仪——探测月球物质成分的含量与分布特征,获得更高空间分辨率和探测精度的元素分布图。微波探测器——探测月壤特性 ,可以带来月表下不同深度的月壤或月岩信息。太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器——探测地月与近月空间环境。

介绍汽车上应用了大量的传感器如下表:

系 统 汽车传 感 器 使 用 目 的
发动机   进气压力(或进气流量)﹑空燃比﹑曲轴角度﹑爆震﹑发动机转速﹑进气温度﹑冷却水温阀﹑ 冷却水负压阀﹑冷却水温度﹑冷却水温度开关   燃油喷射﹑EGR率﹑点火时间的程序控制﹑冷却水温度稳定﹑怠速转速的稳定控制﹑空燃比修正反馈控制﹑爆震区控制﹑停车时的发动机
变速器   变速器位置开关﹑节流阀开关   ——
车身    行驶  车速﹑车轮速度﹑车高﹑结露开关﹑车外开关﹑车内开关﹑车外温度﹑车内温度﹑日照量﹑湿度﹑冷却水温开关﹑冷媒压力开关   恒速运行控制﹑车高稳定控制﹑防抱死控制﹑防结露车窗﹑变速自动锁止控制﹑悬架系统控制﹑车内空调(包括日照﹑湿度)﹑前照灯控制﹑防炫目后视镜﹑雨滴检测刮水器
显示   发动机转速﹑车速﹑燃油剩余量﹑冷却水温﹑油压﹑方位行车距离﹑进气压力﹑燃油流量﹑排气温度开关﹑燃油剩余量开关﹑冷却水量开关﹑制动液量开关﹑洗涤剂量开关﹑蓄电池液位开关﹑门开关﹑座位皮带开关﹑行李箱盖开关﹑油温开关  车速﹑里程表﹑燃油剩余量﹑冷却水温﹑耗油量﹑进气压力﹑行车路线 计量显示
诊断  机油油压﹑燃油剩余量﹑高速区﹑排气温度报警区﹑冷确水位﹑制动液位﹑风窗洗涤液位﹑蓄电池液位 诊断显示

2.要让学生亲眼看到一些传感器,了解它的应用。要加强演示实验教学。通过演示实验激发学生情趣,并且让神奇的传感器现实化

(1)干簧管演示实验

当磁铁靠近时干簧管内软铁被磁化,触点吸合电路通。所以干簧管的作用相当于开关,控制电路的通与断,将磁信号转变为电信号。

可以准备两个演示实验。一个是磁铁靠近灯亮,远离灯灭的实验。另一个是磁控防盗报警实验。

门关上时干黄管H闭合,非门输入低电平,输出高电平,蜂鸣器不工作。门打开时干黄管H断开,非门输入高电平,输出低电平,蜂鸣器报警。

在实验的基础上,让学生知道干簧管的作用相当于开关,控制电路的通与断,这就是将磁信号变成为电信号的敏感元件。然后再向学生介绍干簧管的应用:干簧管测转速自行车计速器、跑步器、磁控防盗报警、IC卡煤气表\水表、液位传感器等。

(2)光敏电阻的演示实验

光控电路如图,用发光二极管LED模仿路灯,RG为光敏电阻,R1的最大电阻为51 kΩ,R2为 330Ω,74LS14非门集成块。让学生看到,在正常光照下,发光二极管不亮,捂上光敏电阻,发光二极管开始发光,这就是光控路灯的工作原理。利用了光照下光敏电阻阻值减小。这样就把光信号变为电信号,成为光电传感器。他的应用有:光控路灯、矿用自动洒水降尘装置、检测自动售机、点钞机、自动计数器。

(3)热敏电阻的演示实验

温度报警器的工作电路如图:

工作原理:常温下,调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平,则输出端Y处于高电平,无电流通过蜂鸣器,蜂鸣器不发声;当温度升高时,热敏电阻RT阻值减小,斯密特触发器输入端A电势升高,当达到某一值(高电平),其输出端由高电平跳到低电平,蜂鸣器通电,从而发出报警声,Rl的阻值不同,则报警温度不同。

实验操作:用火烧烤热敏电阻,蜂鸣器发出报警声,报警指示二极光发光。温度降下来以后,蜂鸣器不再报警,指示灯也不再发光。

热敏电阻的应用:电冰箱、电熨斗、电饭锅、空调、烤箱等。

(4)霍尔元件的演示实验

实验器材:HW101霍尔元件、电池两节3V、钕铁硼强磁铁、数字电压表。 

实验方法:根据书上的工作原理图连接电路,M、N接入3V直流电源,也可以串入电位器调节电流大小。E、F端接入电压表观察霍尔电压的大小。

实验观察:将钕铁硼强磁铁逐渐靠近霍尔元件,观察磁场强弱引起霍尔电压的变化。改变钕铁硼强磁铁方向,观察霍尔电压正负变化。调节电位器改变电流,观察电流变化引起霍尔电压的变化。

在演示实验的基础上,可以让学生设想霍尔元件的应用。如测转速、里程、磁场、电流强度、微小位移、汽车防抱死系统、车门状态指示器等。

3.要让学生亲自动手做一些传感器实验。让神秘的传感器变得触手可及,通过学生实验激发学生情趣,并且让神奇的传感器现实化

(1)学生实验1:探究光敏电阻的阻值与光照的关系

实验器材:光敏电阻,定值电阻(比对)、万用表,灯火手电筒

实验操作:观察光敏电阻的外观,用万用表测量光敏电阻在不同光照下的阻值。记录数据填入表格中。

光照情况

 遮挡受光面

关灯不遮挡

开灯不遮挡

电阻阻值

思考问题:

a.光敏电阻的电阻率与什么有关?

b.光敏电阻受到光照时会发生什么变化?怎样解释?

c.光敏电阻能够将什么量转化为什么量?

问题答案:

a.光敏电阻的电阻率与光照强度有关。

b.光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不好;随着光照增强,载流子增多,导电性能变好。

c.光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。

(2)学生实验2:探究热敏电阻阻值与温度关系

实验器材:金属热电阻R1 、NTC热敏电阻R2 、PTC热敏电阻R3温度计、万用表、烧杯、铁架台、热水。

实验操作:把电阻放到水中,通过调节水温改变电阻温度,用温度计测量温度,用万用表测量电阻,记录数据填入表格。

实验数据记录:

温度  t (°C)

金属热电阻R1(W)

NTC热敏电阻R2 (W)

PTC热敏电阻R3 (W)

思考问题:

a.金属导体与热敏电阻的阻值与温度的关系?

b.热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点?

c.热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量?

问题答案:

a.金属导体的阻值随温度升高而增大,多数半导体材料的阻值随温度升高而减小

b.热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差,测量范围较小;金属热电阻的化学稳定性较好,测量范围较大,但灵敏度较差。

c.热敏电阻或金属热电阻能够将热学量(温度)转化为电阻这个电学量。

(3)学生实验3:探究霍尔元件的特性

实验器材:HW101、电池3V、钕铁硼强磁铁、万用表2V档、滑动变阻器、开关、导线。由于霍尔元件非常小,不便于学生操作,因此老师要在实验前将霍尔元件的四个端点各焊接出一条导线。

实验操作:如图连接电路,将电源、开关、滑动变阻器与霍尔元件NM端串联,EF端接上万用表。让磁铁从霍尔元件的正上方逐渐靠近霍尔元件,观察万用表所显示的霍尔电压的数值变化。改变磁铁方向,在观察霍尔电压的正负变化。调节滑动变阻器,改变输入电流,观察霍尔电压的变化。

思考问题:

a.霍尔电压与哪些量有关?

b.霍尔元件可以感知哪些物理量?

c.应用霍尔元件可以做哪些传感器?

三、“传感器”主题中学生常见问题或难点的分析与解决策略

(一)、光传感器的应用的“火灾报警器”是将光信号变成电信号,学生易出现“将温度信号变成电信号的错误”

工作原理:在没有发生火灾时,光电三极管收不到LED发出的光,呈现高电阻状态。当发生火灾时,产生大量烟雾,烟雾进入罩内后对光有散射作用,使部分光线照射到光电三极管上,其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化,就会发出警报。

(二)、电子秤中力传感器的结构和将力变成为电学量的原理学生无法看到,难于理解。可以让学生拆开电子体重计,观察并分析变压原理

力传感器的外形如图,其中应变片的制作较为复杂。电阻应变片是由直径0.02mm—0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕成栅状【或用很薄的金属箔腐蚀成栅状】夹在两层绝缘片【基底】中制成。用镀银的铜线与应变片丝栅连接,作为电阻片引线。再用氰基丙烯酸酯粘接剂【501、502、504等】将应变片粘在金属梁壁上。最后用环氧树脂粘接剂等,涂在最外层作为防护层。起到绝缘、防潮、防腐、防酸碱油等的侵入。

力传感器的将力变成电信号的原理:梁受力弯曲时,上表面应变片被拉伸,应变片内的金属丝被拉长,横截面积减小,电阻变大。梁受力弯曲时,下表面应变片被压缩,应变片内的金属丝被压缩,横截面积增大,电阻变小。所以电阻的大小与受外力的大小直接关联。

力传感器的电阻变化,再利用桥式电路转变成电压的变化。如图所示。

(三)、温度传感器的应用中电熨斗怎样进行温度调节的分析学生无从下手,要引导学生从电路分析和双金属片的原理入手找到突破口

先让学生找出电熨斗的加热电路,可以分析出常温下,上、下触点应是接触的,这样电路才能闭合,电阻丝才能加热。当温度过高时,由于双金属片受热膨胀系数不同,上部金属膨胀大,下部金属膨胀小,则双金属片向下弯曲,使触点分离,从而切断电源,停止加热。温度降低后,双金属片恢复原状,重新接通电路加热,这样循环进行,起到自动控制温度的作用。熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度,此时可通过调温旋钮调节升降螺丝,升降螺丝带动弹性钢片升降,从而改变触点接触的难易,达到控制在不同温度的目的。下降调节,温度更高。

(四)、关于温度传感器中电饭锅的控温装置学生会误认为是温度传感器,实际上是利用感温铁氧体

感温铁氧体的特点是常温下具有铁磁性,能够被磁体吸引,但是温度上升到约103℃时,就失去了铁磁性,不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”。

演示实验:用酒精灯给电饭锅中感温磁体加热,当温度升高到某一温度时,失去磁性,与永磁体分开。

结合电饭锅的结构图进行讲解。

(1)开始煮饭时,用手压下开关按钮,永磁体与感温磁体相吸,手松开后,按钮不再恢复到图示状态。

(2)水沸腾后,锅内大致保持100℃不变。

(3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里点103℃”时,感温磁体失去铁磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源,从而停止加热.

(4)如果用电饭锅烧水,水沸腾后,锅内保持100℃不变,温度低于“居里点103℃”,电饭锅不能自动断电。只有水烧干后,温度升高到103℃才能自动断电。

(五)、注意新旧知识的结合,让学生理解恒温箱控制电路中控温原理

热敏电阻的温度升高电阻减小,电路电流将增大。当线圈中的电流大于或等于20mA时,继电器的衔铁被吸合,应该停止加热,所以加热器应该放在A、B端。这道题与闭合电路结合,可求调节电阻的阻值。

(六)、学生对光控开关电路中“要想在天更暗时路灯才会亮”的调节原理的分析会出现问题,结合非门逻辑电路的应用,帮助学生较强理解

光照强时光敏电阻阻值小,斯密特触发器的输入端A获得低电平,Y输出高电平。二极管不亮。天黑时光敏电阻阻值变大,密特触发器的输入端A获得高电平,Y输出低电平。二极管亮。

要想在天更暗时路灯才会亮,应该把R1的阻值调大些还是调小些?为什么?同样亮度下RG分压要小,应该把R1的阻值调大些,这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个高值(如1.6V),就需要RG的阻值达到更大,即天色更暗才能触发二极管发光。

另外,由于集成电路允许通过的电流较小,实际电路中要用白炽灯泡作路灯,就要使用继电器来启闭工作电路,如图所示。

光强时光敏电阻阻值小,A获得低电平,Y输出高电平。继电器J不能工作,Ja为常开触点,因此灯不亮。天黑时光敏电阻阻值大,A获得高电平,Y输出低电平。继电器J工作, Ja闭合,因此灯亮。继电器有断电自感,通过二极管保护非门。

(七)、深入理解温度报警器“怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警”,加强学生对非门电路和传感器的理解

工作原理:常温下,调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平,则输出端Y处于高电平,无电流通过蜂鸣器,蜂鸣器不发声;当温度升高时,热敏电阻RT阻值减小,斯密特触发器输入端A电势升高,当达到某一值(高电平),其输出端由高电平跳到低电平,蜂鸣器通电,从而发出报警声,Rl的阻值不同,则报警温度不同。

怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警?由于RT与R1分压,如果让RT更小一些时才能使斯密特触发器的输入端A达到高电压,应该把R1的阻值调小些,这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个高值(如1.6V),就需要RT的阻值达到更小,温度更高才能触发二极管发光。

(八)、数字电路不是按闭合电路的思想工作,这是学生的易错点,可以简单介绍一些三极管的工作原理和非门电路电路的原理,帮助学生解决这个问题

首先要知道三极管的工作原理。如果ce间加正向电压,be间不加正向电压,三极管不导通,ce间电阻很大,如果be间加正向电压,则三极管导通,ce间电阻很小。

当我们把继电器的线圈、电动机线圈或蜂鸣器串在c与电源正极之间时,一旦be间加上控制信号,则三极管导通,继电器吸合、电动机旋转或蜂鸣器鸣叫。

将光敏电阻(RG)与可变电阻组成串联分压电路,当天色变暗时,光敏电阻阻值变大,分压增大,使be间电压升高,当天色暗到一定程度时,三极管导通,继电器吸合,可以控制串在c与电源正极之间的路灯或蜂鸣器的开启。

74LS14非门集成快即74LS14非门集成块如图所示,就是利用了三极管的工作原理。A端低电压时(0.8V) ,三极管不导通,ce间电阻很大,Y高电位(3.4V )。A高电压时(1.6V),三极管导通,ce间电阻很小,Y低电位(0.25V)。正是因为这样的工作原理,74LS14非门集成块可以将连续变化的模拟信号转变为突变的数字信号。电路中斯密特触发器就是非门电路符号如图,因此可以看出不能再用闭合电路的思想分析逻辑电路。

其中74LS14集成块有六个非门,当加在输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6v)时,输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25v)当输入端A的电压下降到(0.8v)时,输出端Y会从低电平跳到高电平(3.4v)斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转变为突变的数字信号。

 

四、“传感器”主题学生学习目标的检测

1.如图8所示,M是一小型理想变压器,接线柱a、b接在电压u=311 sin314t(V)的正弦交流电源上,变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器,电流表A2为值班室的显示器,显示通过R1的电流,电压表 V2显示加在报警器上的电压(报警器未画出),R3为一定值电阻.当传感器R2所在处出现火警时,以下说法中正确的是…… (    )

A.A1的示数不变,A2的示数增大.

B.V1的示数不变,V2的示数减小

C.V1的示数不变,V2的示数增大

D.A1的示数增大 ,A2的示数减小

答案:BD

点评:以传感器中的热敏电阻为切入点,考查当温度升高时,热敏电阻减小,与变压器知识结合,考学生的变化电路分析能力。

2.某同学设计了一路灯控制电路如图11所示,光照射光敏电阻RG时,其阻值变小.设白天时继电器两端电压为U1,夜晚为U2,它们的大小关系是:       .现要使路灯比平时早一些亮起来,应如何调节R1                        

答案:U1U2      滑动端向上滑,使R1阻值变小。

点评:考查了学生对非门电路,光敏电阻以及逻辑电路的分析。

3.如图14所示,一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动,在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝。将激光器与传感器上下对准,使二者间连线与转轴平行,分别置于圆盘的上下两侧,且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动,激光器连续向下发射激光束。在圆盘转动过程中,当狭缝经过激光器与传感器之间时,传感器接收到一个激光信号,并将其输入计算机,经处理后画出相应图线。图(a)为该装置示意图,图(b)为所接收的光信号随时间变化的图线,横坐标表示时间,纵坐标表示接收到的激光信号强度,图中Δt1=1.0×10-3s,Δt2=0.8×10-3s。

(1)利用图(b)中的数据求1s时圆盘转动的角速度;

(2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向;

(3)求图(b)中第三个激光信号的宽度Δt3

 (1)由图线读得,转盘的转动周期T=1.0s-0.2s=1.8s-1.0s=0.8s    ①

角速度        ②

(2)激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动(理由为:由于脉冲宽度在逐渐变窄,表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少,即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加,因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动)。

(3)设狭缝宽度为d,探测器接收到第i个脉冲时距转轴的距离为r1,第i个脉冲的宽度为△ti,激光器和探测器沿半径的运动速度为v。

                                    ③

r3-r2=r2-r1=Vt                              ④

r2-r1                          ⑤

r3-r2                          ⑥

由④、⑤、⑥式解得:

       ⑦

点评:

4.(2010年北京高考题23.)利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器,广泛应用于测量和自动控制等领域。如图1,将一金属或半导体薄片垂直置于磁场B中,在薄片的两个侧面a、b间通以电流I时,另外两侧c、f间产生电势差,这一现象称为霍尔效应。其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累,于是c、f 间建立起电场EH,同时产生霍尔电势差UH。当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时,EHUH达到稳定值,UH的大小与IB以及霍尔元件厚度d之间满足关系式UH=RH IB/d,其中比例系数RH称为霍尔系数,仅与材料性质有关。

(1)设半导体薄片的宽度(c、f 间距)为l,请写出UH和EH的关系式;若半导体材料是电子导电的,请判断图1中c、f 哪端的电势高;

(2)已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n,电子的电荷量为e,请导出霍尔系数RH的表达式。(通过横截面积S的电流I=nevS,其中v是导电电子定向移动的平均速率);

(3)图2是霍尔测速仪的示意图,将非磁性圆盘固定在转轴上,圆盘的周边等距离地嵌装着m个永磁体,相邻永磁体的极性相反。霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近。当圆盘匀速转动时,霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图3所示。

a.若在时间t内,霍尔元件输出的脉冲数目为P,请导出圆盘转速N的表达式。

b.利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程。除此之外,请你展开“智慧的翅膀”,提出另一个实例或设想。

答案与解析:

(1)由 高考资源网(ks5u.com),中国最大的高考网站,您身边的高考专家。     ①                  ②

 当电场力与洛伦兹力相等时  高考资源网(ks5u.com),中国最大的高考网站,您身边的高考专家。    ③

得  高考资源网(ks5u.com),中国最大的高考网站,您身边的高考专家。    ④       又     ⑤

 将 ③、④、⑤代入②,得     高考资源网(ks5u.com),中国最大的高考网站,您身边的高考专家。

(2)a.由于在时间t内,霍尔元件输出的脉冲数目为P,则P=mNt

圆盘转速为 高考资源网(ks5u.com),中国最大的高考网站,您身边的高考专家。

b.提出的实例或设想:代替打点计时器做实验,可测速度。

点评:本题是一个“利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器应用于测量和自动控制等领域”问题。第一问考查学生能否正确审题,准确理解题意,知道霍尔效应、霍尔电势差及计算、电势高低的判断;第二问要求学生利用学过的电场力与洛伦兹力平衡及题设条件进行逻辑推理,给出答案;第三问更加关注知识的应用,利用霍尔元件输出的脉冲数目给出圆盘转速的表达式。理论联系实际,综合应用能力要求较高。传感器是很多物理知识的应用,所以在高考中经常以传感以为连接点进行出题,考查学生解决实际问题的能力。

5.(2010年陕西新课标卷23.)用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性。某同学将RT和两个适当的固定电阻R1、R2连成图1虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的,且具有合适的阻值范围.为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值,测量电路如图1所示,图中的电压表内阻很大。RL的测量结果如表l所示。

回答下列问题

 (1)根据图1所示的电路,在图2所示的实物图上连线.

 (2)为了检验RL与t之间近似为线性关系,在坐标纸上作RL-t关系图线

 (3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图3、4所示.电流表的读数为____,电压表的读数为___.此时等效电阻RL的阻值为___:热敏电阻所处环境的温度约为____.

    答案:(1)如图所示(2)如图所示(3)115.0mA,5.00V,43.5Ω,64.0℃

解析:(1)根据电路图连接实物。

(2)根据数据描出点,作出直线。

(3),对照图找出相应的温度为64.0℃。

点评:此题借助对温度传感器热敏电阻的组织与温度关系的探究,考查了电路实验的基本技能,连电路,作图,电表读数,电路基本计算以及对图像的分析得出结论的能力。

6.(2001年高考上海物理卷第18题)某学生为了测量一物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k),如图所示。测量时先调节输入端的电压。使转换器空载时的输出电压为0;而后在其受压面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材:力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。

(1)设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可调,并且使电压的调节范围尽可能大,在方框中画出完整的测量电路图。

(2)简要说明测量步骤,求出比例系数k,并测出待测物体的质量m。

(3)请设想实验中可能会出现的一个问题。

答案:

(1)设计的电路图如图所示。

(2)测量步骤与结果:

a.调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零;

b.将砝码放在转换器上,记下输出电压U0

c.将待测物放在转换器上,记下输出电压U1

由U0=km0g,得k=U0/m0g

测得U=kmg,所以m=m0U/U0

(3)a.因电源电压不够而输出电压调不到零;

b.待测物体质量超出转换器量程。

点评:本题是用力电转换器(传感器的一种)测物体质量的实验,考查了实验设计、实验电路图、实验原理和实验故障的预测与排除,是对传感器的实质性的考查。

“高中物理“交变电流”和“传感器”主题教学研究”上的11条回复

赵谨

中学物理高级教师。在北京市育英学校工作,长期在高中一线把关。多年担任海淀区物理兼职教研员。被评为海淀区优秀教师。

课程简介
高中物理“交变电流与传感器”教学研究
【课程简介】
“交变电流”的知识是《电磁感应》知识的具体应用和延伸,是高中物理电磁学知识的收尾,也是《恒定电流》内容的进一步扩展。交变电流的概念多,空间关系复杂,推理能力和运用数学的能力要求比较高,同时还与生活实践紧密联系,综合性较强。

“交变电流”突出了3个特点:第一注重学生的自主学习和探究性学习;第二注意将直流与交变电流的特点进行比较;第三重视与实际生活的联系。本主题着重从这几个方面结合具体内容进行分析。

“传感器”是新增内容,具有涉及的知识比较陌生,综合性较强的特点。传感器内容强调了物理学在技术和生活中的广泛应用以及物理前沿科技上的渗透与发展。“传感器”是高中物理知识的延续与应用虽然高考要求较低,但是传感器与很多旧知识有紧密联系,对掌握和落实所学知识内容有帮助作用,同时也是学生将所学知识与生活实际相联系的具体实践。

所以“传感器”模块的教学方法可以概括为:一看:让学生亲眼看一些传感器的实物,看一些演示实验,看一些生活中的应用。二做:让学生亲手做一些简单的实验。三分析:让学生在感性认识的基础上,分析电路结构和实验原理。本主题重点结合具体知识讲述如何设计演示实验和学生实验。

本主题主要内容有主要知识结构内容间的关系以及与整个物理学知识之间的关系;从三个维度理解课程标准的要求;主要知识内容和学习过程的教学策略以及主要学生活动的设计建议;重点知识点及其落实策略,学生可能出现的主要问题及解决策略等内容。

【学习要求】
能认真理解课程标准对教学内容与活动内容要求,明确这些要求与大纲要求的不同,特别是对于学习过程的要求与价值的理解。同时要通过这些过程性要求,研究怎样通过这种“过程”落实“过程与方法”、“情感、态度与价值观”的目标,从而使三维目标的落实变得更加具体而可操作。

交变电流部分概念多,空间关系复杂,推理能力和运用数学的能力要求比较高,。是前面电磁感应和电路知识的应用和提高,学生第一次在物理中接触正弦函数,因此这部分还是有一定难度的,要注意分散难点和解决难点。

传感器部分强调了物理学在技术和生活中的广泛应用以及物理前沿科技上的渗透与发展,是新增内容,涉及的知识比较陌生,综合性较强。所以这部分内容首先要克服畏难情绪,要亲手制作一些简单的传感器,同时要了解生活中和前沿科技种传感器的广泛应用。

思考与活动
1.交变电流与电磁感应和电路知识有哪些联系?教学中怎样温故而知新?怎样提高学生的学习、分析和应用知识的能力?

2.交流电的产生和变化规律是交变电流的难点,怎样突破这个难点?

3.在交变电流中怎样进行空间图与平面图之间的转化?用什么样的方法降低学生的难度?

4.传感器中怎样让学生能够亲身接触传感器?怎样让学生了解传感器的工作原理?

5.在本主题的学习过程中,学生可能遇到的认知障碍、形成原因以及对策。

参考资料
【相关资源】
1.传感器的分类

2.传感器在机场行李处理系统中的典型应用

3.传感器在自动化行业的应用

4.电机学发展史

5.高压直流输电与特高压交流输电的比较研究

6.交变电流与传感器练习题

7.雨水传感器在汽车上的应用

参考资料
传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类:它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类:

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。

常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。

1.按照其用途,传感器可分类为:
压力敏和力敏传感器位置传感器

液面传感器能耗传感器

速度传感器 加速度传感器

射线辐射传感器 热敏传感器

2.按照其原理,传感器可分类为:
振动传感器湿敏传感器

磁敏传感器气敏传感器

真空度传感器生物传感器等。

以其输出信号为标准可将传感器分为:
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

在外界因素的作用下,所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类:

(1)按照其所用材料的类别分

金属聚合物陶瓷混合物

(2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料

(3)按材料的晶体结构分

单晶多晶非晶材料

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作,可以归纳为下述三个方向:

(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

(2)探索新的材料,应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感器技术中加以具体实施。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。

按照其制造工艺,可以将传感器区分为:
集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的,相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

完成适当的预备性操作之后,已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性,在某些方面,可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低,以及传感器参数的高稳定性等原因,采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

参考资料
传感器在机场行李处理系统中的典型应用
近年来,随着国内航空运输业的持续快速发展,机场物流项目逐渐增多,技术水平不断提高。民航总局预计,”十一五”期间,中国内地航空运输将有 14% 的增长,机场建设投资将达到 1400 亿元人民币,这无疑为机场物流相关领域的发展提供了巨大的市场空间。明确到 2010 年底,约需投资 4 万亿元以加快建设进度, 09 年民航固定资产投资总规模将达 800 亿至 1000 亿元,较上年增长 33% 以上。

机场物流系统主要包括三大类:机场行李处理系统、航空货运处理系统、航空配餐处理系统。在此主要分析 传感器 在行李与货运处理系统的应用情况。行李处理系统英文名称为 BHS ( Baggage Handling System) ,是在民航机场的航站楼内为旅客输送和处理托运行李的系统,是旅客航站楼内物流地位最重要、占据建筑空间最大、以及系统性最强的机械化物流输送系统,在如此庞大复杂的系统中,利用现代传感器检测处理行李货物,不仅提高了效率,而且可以降低错误发生率,传感器的应用在各类尤其是大型民航机场航站楼建设和运营管理中起着重要的作用。

以下以邦纳传感器为例分别介绍传感器在机场行李处理系统几个典型的应用:

工作站分拣测量:
机场仓库出口点与进口货物的 DC 点不同,早上入库的货物在当天下午就可能要出库,基本上属于“通过型”物流运作,所以平面库的设施需实现更加流畅的作业。其中货架通常有不同的尺寸规格,因此货物在放入哪一货架前通常需要按照货物大小进行分类,测量光幕可以协助实现分类的自动化以及货物体积的测量。

邦纳 EZ-ARRAY 两片式测量光幕安装于机场的物流工作站上,测量所经过光幕扫描区域货物的大小,光幕的高度可以从 143mm 到 1.8m ,检测范围 400mm ~ 4m ,光束间距为 19.1mm ,检测距离为 0.9m 到 15m ;其直接工作方式时的扫描时间范围在 2.8ms 到 26.5ms 之间。无需特别 控制器 , MINI-ARRAY 测量光幕可迅速快捷的测量于货物的大小,后台 PCL 系统根据光幕检测的数据从而进行分类分拣货物。当处理货物的种类繁杂,规格尺寸千差万别,从一个小的快件到一个大型的 1 3 . 6 吨的集装单元处理箱,从一个电子产品到一辆豪华轿车,从一件服装到一箱军火枪支,这些都是货运处理工作站须考虑到的问题,测量光幕可有效的帮助处理这些问题。

物流输送带到位检测应用:
在行李处理系统内部,按照处理行李的类别分为:( 1 )离港行李处理系统:处理出港旅客的交运行李( 2 )进港行李处理系统:处理进港旅客的交运行李,相对于离港行李处理系统较为简单。当货物出货或者进货的时候,必须准时、准确、准量、合理而有效,通过对流水线的单向化向混流化的改造和自动化管理,物流输送带系统成为行李处理运输的纽带,下面两张实物图介绍利用邦纳的光电传感器 Q45 ,对所经的货物进行计数处理,达到自动化输送管理。

安装于输送带上的邦纳 Q45 光电传感器,对所经货物进行计数,配备了光电传感器的自动化输送带,使物流处理过程实现了自动化,这样不仅提高了作业质量,在确保安全作业的同时,也兼顾了工作效率的提升,还削减了人工费用。

在输送带首尾端 Q45 光电传感器不计具有计数的功能,还有节能的作用,当输送带上没有行李货物的时候,该光电传感器感测到这种状态后反馈给后台的 PCL 系统,由 PCL 系统控制输送带的运行,达到节能的功效。

办票口行李到位检测:
行李在进出机场物流系统的开始,需要进行安全检查,目前大多数机场都采用 X 射线安全检查设备进行行李安检,而传感器就被应用在该设备中,进行行李到位检测应用。

某一机场办票口在旅客行李进站安检的时候使用的 X 射线安全检查设备。图六两只小孔分别开设于在 X 射线安全检查设备两侧,在小孔后面装有邦纳的 QS18 光电传感器,对面两只小孔各装有反射板,当行李放置于机器的履带上时, QS18 光电传感器检测到行李,然后发出信号,后台启动传动装置,行李开始被输送进机器安全检测。利用 QS18 光电传感器达到半自动化节能输送处理,节省能源,提高工作效率。

以上分别介绍了在机场物流系统中,三个环节的传感器应用,其实,不仅仅是此三个环节,在登机桥地面检测,立体仓库货物堆放、货物突出、货架监视,行李上架定位,堆垛车定位,货物信息读取等环节,都可处处见到传感器的应用,以上简单的介绍了邦纳传感器在机场物流系统中的应用,供读者以此借鉴。

【返回参考资料列表】

参考资料
传感器在自动化行业的应用
传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是:“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”,而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。称重传感器是传感系统的一个组成部分,它是被测量信号输入的第一道关口。

传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类:有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种,不需要外接的能源或激励源。

无源传感器不能直接转换能量形式,但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能,传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体,而它们的状态可以是静态的,也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的,也可以是化学性质的。按照其工作原理,它将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量,然后将此电信号分离出来,送入传感器系统加以评测或标示。

传感器原理结构在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥,即为基础扭矩传感器;在轴上固定着:(1)能源环形变压器的次级线圈,(2)信号环形变压器初级线圈,(3)轴上印刷电路板,电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着:

(1)激磁电路,(2)能源环形变压器的初级线圈(输入),(3)信号环形变压器次级线圈(输出),(4)信号处理电路

工作过程

向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动–静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。

传感器分类倾角传感器

倾角传感器在军事、航天航空、工业自动化、工程机械、铁路机车、消费电子、海洋船舶等领域得到广泛运用。辉格公司为国内用户提供全球最全面、最专业的产品方案和服务。提供超过500种规格的伺服型、电解质型、电容型、电感型、光纤型等原理的倾角传感器。

加速度传感器(线和角加速度)

分低频高精度力平衡伺服型、低频低成本热对流型和中高频电容式加速度位移传感器。总频响范围从DC至3000Hz。应用领域包括汽车运动控制、汽车测试、家电、游戏产品、办公自动化、GPS、PDA、手机、震动检测、建筑仪器以及实验设备等。

红外温度传感器

广泛应用于家用电器(微波炉、空调、油烟机、吹风机、烤面包机、电磁炉、炒锅、暖风机等)、医用/家用体温计、办公自动化、便携式非接触红外温度传感器、工业现场温度测量仪器以及电力自动化等。不仅能提供传感器、模块或完整的测温仪器,还能根据用户需要提供包括光学透镜、ASIC、算法等一揽子解决方案。

传感器的应用传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。

专用设备

专用设备主要包括医疗、环保、气象等领域应用的专业电子设备。目前医疗领域是传感器销售量巨大、利润可观的新兴市场,该领域要求传感器件向小型化、低成本和高可靠性方向发展。

工业自动化

工业领域应用的传感器,如工艺控制、工业机械以及传统的;各种测量工艺变量(如温度、液位、压力、流量等)的;测量电子特性(电流、电压等)和物理量(运动、速度、负载以及强度)的,以及传统的接近/定位传感器发展迅速。

通信电子产品

手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感器市场带来机遇与挑战,彩屏手机和摄像手机市场份额不断上升增加了传感器在该领域的应用比例。此外,应用于集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的磁场传感器等都将出现强势增长。

汽车工业:现代高级轿车的电子化控制系统水平的关键就在于采用压力传感器的数量和水平,目前一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器,而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只,种类通常达30余种,多则达百种。

【返回参考资料列表】

参考资料
电机学发展史
奥斯特发现电生磁(1820)—法拉第电磁回转实验(发明电动机模型)—法拉第发现电磁感应(发明发电机模型)—法拉第兼任企业顾问研制永磁电机—西门子发明激磁电机—格拉姆发明直流发电机和电动机—特斯拉发明交流电机和电动机—19世纪末美国电动机床出现—伏特汽车公司装配流水线

一、直流电机的产生与形成
皮克西:第一台永磁式直流发电机。

西门子:自激式直流发电机。

格拉姆:环形电枢直流发电机

1820年丹麦物理学家奥斯特(HansChristianOersted,1777—1851)发现了电流磁效应:将导线的一端和伽伐尼电池正极连接,导线沿南北方向平行地放在小磁针上方,当导线另一端连接到负极时,磁针立即指向东西方向。把玻璃板、木片、石块等非磁性物体插在导线和磁极之间,甚至把小磁针浸在盛水的铜盒子里,磁针照样偏转。随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律;

1821年9月法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动,第一次实现了电磁运动向机械运动的转换,从而建立了电动机的实验室模型,被认为是世界上第一台电机,其原理如图1所示,在一个盘子内注入水银,盘子中央固定一个永磁体,盘子上方悬挂一根导线,导线的一端可在水银中移动,另一端跟电池的一端连接在一起,电池的另一端跟盘子连在一起,构称导电回路,载流导线在磁场中受力运动。

1822年,法国的阿拉戈.盖.吕萨克发明电磁铁,即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化。

1825年,斯特金(W.sturgeon)用16圈导线制成了第一块电磁铁。

1829年,美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新,绝缘导线代替裸铜导线,因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层,就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起,由于线圈越密集,产生的磁场就越强,这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。到了1831年,亨利试制出了一块更新的电磁铁,虽然它的体积并不大,但它能吸起1吨重的铁块。

1826年德国G.S.欧姆提出电路实验定律――欧姆定律。

1831年,法拉第发现了电磁感应现象之后不久,他又利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机──法拉第圆盘发电机,如图2所示。这台发电机制构造跟现代的发电机不同,在磁场所中转动的不是线圈,而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄,圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴,用导线把电刷与电流表连接起来;铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中,当转动摇柄使铜圆盘旋转起来时,电流表的指针偏向一边,电路中产生了持续的电流。

同年夏天,亨利对法拉第的电动机模型进行了改进,制作了一个简单的装置(振荡电动机),如图3所示,该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁,当它们端部的导线与两个电池交替连接时,电磁铁的极性自动改变,电磁铁与永磁体相互吸引或排斥,使电磁铁以每分钟75各周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要意义在于这是第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动,是电磁铁在电动机中的真正应用。

1832年,斯特金发明了换向器,据此对亨利的振荡电动机进行了改进,并制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机,其原理如图4所示.后来他还制作了一个并励直流电动机。

1832年,法国A.H.皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转式交流发电机,如图5所示。一年后,他在发电机上安装整流子,将交流电变为直流电。同年,俄籍德国人H.F.E.楞次提出“电动机-发电机”原理――楞次定律,证明发电机和电动机是可逆的。但1870年以前,直流发电机与电动机一直在独立发展着。

1834年,德国的雅可比成了一种简单的装置:在两个U型电磁铁中间,装一六臂轮,每臂带两根棒型磁铁,通电后,棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用,带动轮轴转动,如图6所示。后来,雅可比做了一具大型的装置,安在小艇上,用320个丹尼尔电池供电,1838年小艇在易北河上首次航行,时速只有2.2公里,与此同时,美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机,印刷过美国电学期刑《电磁和机械情报》。但这两种电动机都没有多大商业价值,用电池作电源,成本太大、不实用。

1845年,英国的惠斯通(G.Wheatstone)用电磁铁代替永久磁铁,并取得了专利权。这是增强发电机输出功率的一个重要措施。

1854年,丹麦的赫尔特发明了自激式电机。

1857年,英国的惠斯通发明自激电磁铁型发电机。

1860年,意大利的巴奇诺蒂(A.Pacinotti)发明了齿状电枢。

1865年,意大利物理学家帕其努悌发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈,从而提高了发电机的效率。

1866年西门子的创始人维尔纳.冯.西门子(W.vonSiemens,1816~1892)制成直流自激、并激式发电机。制成了一架大功率直流电机。1867年在巴黎世界博览会上展出第一批样机。这样,西门子就首次完成了把机械能转换成为电能的发明,从而开始了19世纪晚期的“强电”技术时代。

1867年,西门子对发电机提出了重大改进。他认为,在发电机上不用磁铁(即永久磁铁),而用电磁铁,这样可使磁力增强,产生强大的电流。西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原理是,电磁铁的铁芯在不通电流时,也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时,利用这一微弱的剩磁发出电流,再反回给电磁铁,促使其磁力增强,于是电磁铁也能产生出强磁性。接着,西门子着手研究电磁铁式发电机。很快就制成了这种新型的发电机,它能产生皮克发电机所远不能相比的强大电流。同时,这种发电机比连接一大堆电池来通电要方便得多,因而它作为实用发电机被广泛应用起来。

1870年格拉姆(Z.T.Gromme,1826~1901)将T形电枢绕组改为环形电枢绕组,发明了直流发电机,在设计上,直流发电机和电动机很相似。后来,格拉姆证明向直流发动机输入电流,其转子会象电动机一样旋转。于是,这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断提高,被人们誉为“发电机之父”。

1873年,德国的西门子公司研究发电机的工程师阿特涅。他发明了与古拉姆发电机不同的线圈绕线方式,制成了性能良好的发电机。古拉姆发电机的电枢是将铁丝绕成环状,在环与环之间夹上纸进行绝缘,然后将环捆在一起作为铁芯,在其上面绕上导线线圈,再由线圈的不同部位引出一些导线,接向带整流子。而阿特涅发电机的电枢,是用许多薄圆铁板以纸绝缘后重叠起来,制成铁芯,然后在上面绕上导线线圈。人们把这种方法叫做“鼓卷”,意思是像鼓一样的形状。经过这种改进后,发电机无论是外观或是性能,都比原来有了很大起色。西门子公司由于阿特涅的这项发明而益发驰名。于是,德国以西门子公司为核心,大力研制各种发电机,从而使电力工业得到了迅速的发展。德国的西门子接制造更好的发电机,并着手研究由电动机驱动的车辆,于是西门子公司制成了世界电车。1879年,在柏林工业展览会上,西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力,后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达12─15马力。但当时的电动机全是直流电机,只限于驱动电车。

1873年,英国詹·麦克斯韦完成了经典电磁理论基础《电和磁》;电机绕组发展为鼓型绕组,直流电机具备了现代直流电机的基本型式;

1875年比利时Z.T.格拉姆将改造后的发电机安装在法国巴黎北火车站发电厂,该厂是世界第一座火电厂

1880年,爱迪生观察到用叠片铁芯可以减少温升和能耗。

1880年,霍普金森(J.Hopkinson,1849~1898)确立了磁路的欧姆定律。

1882年,德国将米斯巴哈水电站发出的2千瓦直流电通过57千米1500~2000伏电线输送到慕尼黑,证明直流远距离输电的可能性。这一方面成为直流发电机与电动机发展中的大事,促进了它们的广泛利用,另一方面暴露出直流在传输中的缺点:原来电压越高,电能的传输损失越小,但高压直流发电机困难较大,而且单机容量越大,换向也越困难,换向器上的火花使工作不稳定。因而人们就把目光转向交流电机。美国的戈登制造出了输出功率447KW,高3米,重22吨的两相式巨型发电机。

1891年,阿诺尔德(Arnold)建立直流电枢绕组理论。

二、交流电机的产生与形成
1824年,法国人阿拉果(D.F.J.Arago,1786~1853)在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。次年,他重复这一实验时,发现外围环的转动又使磁针偏转,这些实验导致了后来感应电动机的出现。年,出现了单相交流发电机。

1876年,雅布洛奇科夫(П.Н.Яблочков,1847~1894)用交流发电机和开磁路式串联变压器为其“电烛”供电,这是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型式的同步发电机和变压器。

1879年英国人拜依莱(Bailey)用依次变动四个磁极上的励磁电流而得到旋转磁场。1883年,德普勒(M.Deprez,1843~1918)在巴黎科学院提出a=1/4周期的交流磁场公式。

1882—1885年,匈牙利工程师代里等3人首创变压器。

1884年,闭合磁路的变压器制成,并推广使用

1885年,费拉里斯提出两相交流感应电动机的模型。

1886年特斯拉(N.Tesla,1856~1943)也制成两相绕线式交流异步电动机模型,1888他又在意大利科学院提出《利用交流电产生旋转磁场》的论文。他在爱迪生公司工作,但由于爱迪生坚持只搞直流方式,因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成,又称感应电动机,这种电动机结构简单,使用交流电,无需整流,无火花,因此被广泛应用于工业的家庭电器中,交流电动机通常用三相交流供电。美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机,但由于爱迪生坚持只搞直流方式,因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。

1889年,多利沃-多布罗沃利斯基提出了三相制并制成鼠笼式交流异步电动机。

1889年,西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂,1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。

1890年,德国人米夏埃尔·冯·多里沃一多勃鲁沃尔斯基制成一架三相电流变压器。

1891年,慕尼黑人奥斯卡·冯·米勒在法兰克福世界电气博览会上宣布:他与多里沃合作架设的从劳芬到法兰克福的三相交流输电电路,可把劳芬的一架300×735.5W(300马力)55伏三相交流发电机的电流经三相变压器提高到了万伏,输运175千米,顺利通电,从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机,因为三相制的优点十分明显:材料可靠,结构简单,性能好,效率高,用铜省,在电力驱动方面又有重大效益。从此,各种各样的电机迅速发展起来。

1896年,特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运,3750KW,5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。

1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。

电机发展历史
蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后,19世纪末到20世纪上半叶电机又引发了第二次产业革命,使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命,使生产和消费从工业化向自动化、智能化时代转变;推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。

21世纪伊始,世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然,汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力;然而,汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。而对于我国日益扩大的汽车市场,这种危机就更明显。据了解,2000年我国进口汽油7000万吨,预计2010年后将超过1亿吨,相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染最严重的10个城市中有7个在中国,而国家环保中心预测,2010年汽车尾气排放量将占空气污染源的64%。虽然,加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业,将会给我国的能源安全和环境保护造成巨大的影响。为此,国家科技部启动了十五“863”电动汽车重大专项。

高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一,已被列为863电动汽车重大专项的共性关键技术课题。20世纪80年代前,几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机,这是因为直流牵引电机具有起步加速牵引力大,控制系统较简单等优点。直流电机的缺点是有机械换向器,当在高速大负载下运行时,换向器表面会产生火花,所以电机的运转不能太高。由于直流电机的换向器需保养,又不适合高速运转,除小型车外,目前一般已不采用。

近十年来,主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。与原有的直流牵引电机系统相比,具有明显优势,其突出优点是体积小,质量轻(其比质量为0.5-1.0kg/Kw)、效率高、基本免维护、调速范围广。其研究开发现状和发展趋势如下。

1.异步电机驱动系统
异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠,低转矩脉动,低噪声,不需要位置传感器,转速极限高。

异步电机矢量控制调速技术比较成熟,使得异步电机驱动系统具有明显的优势,因此被较早应用于电动汽车的驱动系统,目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品(尤其在美国),但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。

最大缺点是驱动电路复杂,成本高;相对永磁电机而言,异步电机效率和功率密度偏低。

2.无刷永磁同步电机驱动系统
无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围,发展前景十分广阔,在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者,已在国内外多种电动车辆中获得应用。

内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩,磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度,而且易于弱磁调速,扩大恒功率范围运行。内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入,该机结构灵活,设计自由度大,有望得到高性能,适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。这些引起了各大汽车公司同行们的关注,特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。当前,美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机。

表面凸出式永磁同步电机也称为永磁转矩电机,相对内置式永磁同步电机而言,其弱磁调速范围小,功率密度低。该结构电机动态响应快,并可望得到低转矩脉动,适合用作汽车的电子伺服驱动,如汽车电子动力方向盘的伺服电机。

无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点,将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一,具有潜在的竞争优势。

永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制,高速时用弱磁控制。

3.新一代牵引电机驱动系统
从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后,打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式;并随着磁阻电机,永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展,交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代;新的电机拓朴结构与控制方式层出不究,推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。

SRD开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固,适合于高速运行,并且驱动电路简单成本低、性能可靠,在宽广的转速范围内效率都比较高,而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行,是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大,噪声大;此外,相对永磁电机而言,功率密度和效率偏低;另一个缺点是要使用位置传感器,增加了结构复杂性,降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。

永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机,永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩,永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动,以利于它在电动车辆驱动系统中应用。

转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力,类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制,符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。目前该电机的研究处于探索阶段,电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善,作为假选的电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势。

此外,正在研发的热点课题还有:

具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统;

车轮电机驱动系统;

动力传动一体化部件(电机、减速齿轮、传动轴);

双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。

4.下一代汽车电子伺服系统及其车用伺服电机
1993年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司,克莱斯勒、福特和通用,建立了新一代车辆伙伴关系(PNGV,PartnershipforaNewGenerationofVehicles),目标是开发新一代机动车技术,以增强美国汽车工业的实力。1998年至2002年期间,美国国家自然科学基金(NSF)资助美国国家电力电子中心(由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组建)研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块,提高汽车电子电气部件的可靠性,降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点,增强在国际市场的竞争力。线控的汽车电子伺服系统(X-by-wire)在未来将是十分重要的技术,该技术可将各种独立的系统(如转向、制动、悬挂等)集成到一起由计算机调控,使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善,设计的灵活度也大大增加。目前,电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用,在这个系统中已经削减了相当多的机械部件,如液压泵等。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术,随着这个技术的使用,许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失,而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。

全球最大的汽车零部件企业一美国德尔福汽车系统公司预计,在未来的3-5年内全世界的汽车将逐步采用电子伺服驱动系统,如电子动力方向盘和线控刹车伺服驱动系统。目前,美国德尔福汽车系统公司正在全球范围内寻找年产300万台以上的电子动力方向盘的交流伺服电机合作伙伴。

【返回参考资料列表】

参考资料
高压直流输电与特高压交流输电的比较研究
詹奕尹项根

(华中科技大学电力与电子工程学院,武汉430074)

摘要综述了高压直流输电与特高压交流输电的应用现状,对二者的优缺点进行了比较研究,并预测了这两种输电技术在我国的发展前景。

关键词高压直流特高压输电

0引言
我国电网的特点是能源资源与经济发展地理分布极不均衡,必须发展长距离、大容量电能传输技术,采用新的或更高一级电压等级,实现西南水电东送和华北火电南送。目前国内外的研究集中在高压直流(HVDC)和特高压交流(UHV)输电技术。本文试就这两种技术的应用现状、优缺点进行比较,并预计这两种技术在我国的发展前景。

1国内外高压直流与特高压交流输电的应用概况
随着电力电子和计算机技术的迅速发展,直流输电技术日趋完善,在输送能力和送电距离上已可和特高压交流竞争。多端直流输电技术也取得了一些运行经验:意大利到撒丁岛和柯西岛的三端直流输电工程于80年代投运;美国波士顿经加拿大魁北克到詹姆斯湾拉迪生的五段直流输电工程,全长1500km,1992年全线建成投入五端。到1996年底全世界已投运的直流输电工程有56个,输电容量达54.166GW[1]。

我国的葛洲坝—上海500kV双极联络直流输电工程1989年投运,额定容量为1200MW,输电距离为1080km。天生桥—广州500kV直流输电线路全长980km,额定输送功率1800MW。此外,三峡—华东两回直流输电方案已审定。

目前国外单个直流输电项目的输电容量正在逐步增加,表1为其中典型代表。

特高压交流输电技术的研究始于60年代后半期,前苏联从80年代开始建设西伯利亚—哈萨克斯坦—乌拉尔1150kV输电工程,输送容量为5000MW,全长2500km,从1985年起已有900km线路按1150kV设计电压运行。1988年日本开始建设福岛和柏崎—东京1000kV400余km线路。意大利也保持了几十km的无载线路作特高压输电研究。美国AEP则在765kV的基础上研究1500kV特高压输电技术。

但是,80年代中期以后世界经济发展减缓,美国和其他一些国家都推迟或暂时放弃特高压交流输电技术,只有前苏联的1150kV工程投运,日本的特高压输电线路降压至500kV运行。

2高压直流输电与特高压交流输电的优缺点比较
从经济方面考虑,直流输电有如下优点:
(1)线路造价低。对于架空输电线,交流用三根导线,而直流一般用两根采用大地或海水作回路时只要一根,能节省大量的线路建设费用。对于电缆,由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度,如通常的油浸纸电缆,直流的允许工作电压约为交流的3倍,直流电缆的投资少得多。

(2)年电能损失小。直流架空输电线只用两根,导线电阻损耗比交流输电小;没有感抗和容抗的无功损耗;没有集肤效应,导线的截面利用充分。另外,直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。

所以,直流架空输电线路在线路建设初投资和年运行费用上均较交流经济。

直流输电在技术方面有如下优点:
(1)不存在系统稳定问题,可实现电网的非同期互联,而交流电力系统中所有的同步发电机都保持同步运行。两端交流输电系统的等值电路见图1。输送功率为:P=(E1E2/XΣ)sinδ,式中:E1、E2分别为受送端交流系统的等值电势;XΣ为线路、发电机、变压器的等值电抗;δ为两电势的相角差。

由此可见,在一定输电电压下,交流输电容许输送功率和距离受到网络结构和参数的限制,还须采取提高稳定性的措施,增加了费用。而用直流输电系统连接两个交流系统,由于直流线路没有电抗,不存在上述稳定问题。因此,直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制,还可连接两个不同频率的系统,实现非同期联网,提高系统的稳定性。

(2)限制短路电流。如用交流输电线连接两个交流系统,短路容量增大,甚至需要更换断路器或增设限流装置。然而用直流输电线路连接两个交流系统,直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近,短路容量不因互联而增大。

(3)调节快速,运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能快速调整有功功率,实现“潮流翻转”(功率流动方向的改变),在正常时能保证稳定输出,在事故情况下,可实现健全系统对故障系统的紧急支援,也能实现振荡阻尼和次同步振荡的抑制。在交直流线路并列运行时,如果交流线路发生短路,可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速,提高系统的可靠性。

(4)没有电容充电电流。直流线路稳态时无电容电流,沿线电压分布平稳,无空、轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现象,也不需要并联电抗补偿。

(5)节省线路走廊。按同电压500kV考虑,一条直流输电线路的走廊~40m,一条交流线路走廊~50m,而前者输送容量约为后者2倍,即直流传输效率约为交流2倍。

然而,下列因素限制了直流输电的应用范围:

(1)换流装置较昂贵。这是限制直流输电应用的最主要原因。在输送相同容量时,直流线路单位长度的造价比交流低;而直流输电两端换流设备造价比交流变电站贵很多。这就引起了所谓的“等价距离”问题。

(2)消耗无功功率多。一般每端换流站消耗无功功率约为输送功率的40%~60%,需要无功补偿。
(3)产生谐波影响。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流,使电容器和发电机过热、换流器的控制不稳定,对通信系统产生干扰。

(4)缺乏直流开关。直流无波形过零点,灭弧比较困难。目前把换流器的控制脉冲信号闭锁,能起到部分开关功能的作用,但在多端供电式,就不能单独切断事故线路,而要切断整个线路。

(5)不能用变压器来改变电压等级。

直流输电主要用于长距离大容量输电、交流系统之间异步互联和海底电缆送电等。与直流输电比较,现有的交流500kV输电(经济输送容量为1000kW、输送距离为300~500km)已不能满足需要,只有提高电压等级,采用特高压输电方式,才能获得较高的经济效益。

特高压交流输电的主要优点为:
(1)提高传输容量和传输距离。随着电网区域的扩大,电能的传输容量和传输距离也不断增大。所需电网电压等级越高,紧凑型输电的效果越好。

(2)提高电能传输的经济性。输电电压越高输送单位容量的价格越低。

(3)节省线路走廊。一般来说,一回1150kV输电线路可代替6回500kV线路。采用特高压输电提高了走廊利用率。

特高压输电的主要缺点是系统的稳定性和可靠性问题不易解决。自1965~1984年世界上共发生了6次交流大电网瓦解事故,其中4次发生在美国,2次在欧洲。这些严重的大电网瓦解事故说明采用交流互联的大电网存在着安全稳定、事故连锁反应及大面积停电等难以解决的问题。特别是在特高压线路出现初期,不能形成主网架,线路负载能力较低,电源的集中送出带来了较大的稳定性问题。下级电网不能解环运行,导致不能有效降低受端电网短路电流,这些都威胁着电网的安全运行。另外,特高压交流输电对环境影响较大。

由于交流特高压和高压直流各有优缺点,都能用于长距离大容量输电线路和大区电网间的互联线路,两者各有优缺点。输电线路的建设主要考虑的是经济性,而互联线路则要将系统的稳定性放在第一位。随着技术的发展,双方的优缺点还可能互相转化。两种输电技术将在很长一段时间里并存且有激烈的竞争[2]。

3 两种技术在我国的发展前景
(1)2020年前,直流输电应用于以长距离大容量输电为目的的大区电网互联。
根据我国电网的远景规划,在北方火电基地建成之前,我国将形成北部、中部、南方三大联合电力系统。三峡水电站计划将于2009年建成,装机容量18.2GW,向华东输送容量~8GW,输送距离1100km。目前初步确定的电压等级方案为500kV交流加500kV直流的交、直流混合方案。这一方案使电站的出线回路偏多,电压等级偏低。

从国外电力系统发展的历史来看,一座或数座大型电站接入系统,会促使系统出现更高一级电压等级。我国西北刘家峡电站的接入系统开始形成了西北330kV电网;葛洲坝水电站建成,使我国华中地区形成了500kV电网。在国外,加拿大为邱吉瀑布水电站群建设了735kV电网;俄罗斯为核电站送电建设了750kV电网。我国三峡水电站的建成以及今后发展特大型水、火基地,都极有可能需要建立特高压输电网。

但是,在现阶段,特高压输电技术储备不足,没有成套成熟的技术;而直流输电在可控性、隔离故障及运行管理等方面占有许多优势,特别是采用直流联网时两网之间的波动互不干扰,稳定性很高。因此,在未来20年,直流输电将作为长距离大容量输电的主要方式和500kV交流网架的强化措施,以便在无更高一级交流电压输电线路时形成大区电网互联。

科学领域的新成就将扩展直流输电技术的用途。一些新的发电方式,比如磁流体、电气体、燃料电池和太阳电池等产生的电能都是以直流方式送出并经逆变器交换后送入交流电力系统,远海中的海洋能发电厂需用海底直流电缆将电能送到大陆。另外,新型电池和超导等新的储能系统和交流电力系统连接时都需要有关直流输电的技术。

总之,随着直流输电技术的日益成熟、输电设备(主要是换流器)价格的下降和换流站可用率的提高,它在电力系统必将得到更多的应用。

(2)到2050年,交流特高压电网将作为全国联网的主网架。
继三峡水电站之后即将开发西南水电基地,金沙江上、中、下游段13个梯级电站共装机67.38GW,澜沧江中下游14个梯级共28.9GW,雅砻江11个梯级共24.30GW,大渡河17个梯级共17.72GW,将大容量外送~60GW[3]。

在火电发展方面,煤炭能源输送方式有[4]:运煤发电和就地发、输电。运煤发电方式存在许多弊端,比如环境污染严重,大量占用城市土地资源,对交通运输有一定压力等。而就地发电方式将解决上述弊端,即建设坑口电站,以远距离大容量输电的方式,将能源输送到负荷中心。到2050年,“三西”火电基地将向东北、华北、华东、华中输电。

尽管到目前为止全国联网网架结构尚不明朗,但随着金沙江梯级电站和北方火电基地的建成,以直流输电形成全国直流联网几乎不可能。因全国联网必是多端网络,采用特高压交流输电线路,形成以三峡电网为中心的全国电网互联的格局,这是全局,特殊情况下局部可用直流联网或背靠背直流联网。

4 结论与建议
a.研究和发展高压直流输电和特高压交流输电十分必要。

b.将来我国的特高压输电仍以交流为主,直流只用于局部联网等特殊情况。

c.对技术经济进行分析,兼顾我国电力系统的长期发展,确定新的电压等级。

d.积极引进和吸收国外的成果,研制成套高压直流输电设备,早日实现国产化。

e.建设工业性的特高压实验线路,与国外专家及各制造厂家共同研究适合中国特点的特高压输电成套设备。

参考文献
1李兴源.高压直流输电系统的运行和控制.北京:科学出版社.1998

2朱鸣海.关于发展我国特高压输电的意见.电网技术,1995,19(3):54

3郑美特.全国联网和大区形成主干网架的研究.电网技术,1999,23(1):63

4万启发.21世纪我国的特高压输电.高电压技术,2000,26(6):12

【返回参考资料列表】

参考资料
交变电流与传感器练习题
一、单选题
1.有一正弦交流电,它的电流瞬时值的表达式为i=10sin314t A。那么它的电流有效值是 ( )

A.10A B.10A C.314A D.50A

2.一矩形线圈在匀强磁场中转动,产生的感应电动势,则( )

A.交流电的频率是100πHz B.t=O时线圈垂直于中性面

C.交流电的周期是O.02s D.t=0.05s时,e有最大值

3.一个白炽灯泡上标“220V 40W”,那么为了使它正常发光,所使用的正弦交流电应是 ( )

A.电压最大值为220V,电流最大值约为0.18A

B.电压最大值为311V,电流最大值约为0.26A

C.电压有效值为220V,电流有效值约为0.26A

D.电压有效值为311V,电流有效值约为0.18A

4.交流发电机在工作时的电动势为 ,若将其电枢的转速提高1倍,其他条件不变,其电动势变为( )

A. B. C. D.

5.如图1所示的交流电路中,如果电源电动势的最大值不变,交流电的频率增大时,可以观察到三盏电灯亮度的变化情况是 ( )

A.L1、L2、L3亮度都不变

B.L1变暗、L2不变、L3变亮

C.L2变暗、L2变亮、L3不变

D.L1变亮、L2变暗、L3不变

6.如图2所示,理想变压器的原线圈接高电压,降压后通过一段电阻不可忽略的线路接用电器.S原来闭合,且R1=R2.现将S断开,那么交流电压表的示数U,交流电流表的示数I和用电器R1上的功率P1将分别是 ( )

A U曾大,I增大,P1增大

B.U增大,I减小,P1增大

C.U减小,I减小,P1减小

D.U减小,I增大,P1减小

7.如图3表示一交流电的电流随时间而变化的图象。此交流电流的有效值是( ) .

A.5安 B. 5安

C.3.5安 D. 3.5安

8.在图4(1)(2)两电路中,当a、b两端与e、f两端;分别加上220伏的交流电压时,测得 c、d间与g、h间的电压均为110伏。若分别在 c、d两端与g、h两端加上110伏的交流电压,则 a、b间与 e、f间的电压分别为 ( )

A. 220伏,220伏 B. 220伏,110伏

C.110伏,110伏 D. 220伏,0

9.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于这类传感器的是 ( )

A. 红外报警装置 B.走廊照明灯的声控开关

C.自动洗衣机中的压力传感装置 D.电饭煲中控制加热和保温的温控器

10.下列元件利用了光传感器的是 ( )

A.火灾报警器 B.电饭锅 C.测温仪 D.加速度计

11.传感器是一种采集信息的重要器件,如图5所示,是一种测定压力的电容式传感器,当待测压力F作用于可动膜片电极上时,可使膜片产生形变,引起电容的变化,将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路,那么 ( )

A.若电容减小,则力F增大

B.若电容增大则力F减小

C.若电容变大,则力F增大

D.以上说法都不对

12.霍尔元件能转换哪两个物理量 ( )

A.把温度这个热学量转换成电阻这个电学量

B.把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量

C.把力这个力学量转换成电压这个电学量

D.把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量

二、多选题
1.一台理想变压器的原副线圈的匝数比为n1∶n2=40∶1。在副线圈两端接有“6V、40W”的电灯泡。若灯泡恰能正常发光,则 ( ) .

A.变压器输入电压的有效值为240V B.变压器输入电压的最大值为240V

C.变压器输入功率为40W D.变压器输入功率大于40W

2.一个矩形线圈在匀强磁场中匀速转动, 产生交变电动势e=311sin(50πt)V, 则( )

A.此交变电动势的频率是50Hz

B.用交流电压表测量时的示数是220V

C.在t=0.1s时穿过线圈的磁通量为零

D.在t=0.5s时线圈平面与中性面重合, 磁通变化率最小

3.一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动,线圈中的感应电动势e随时间变化如图6所示,下面说法正确的是 ( )

A.tl时刻通过线圈的磁通量为零

B.t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大

C.t3时刻通过线圈的磁通量变化率为零

D.每当e改变方向时,通过线圈的磁通量的绝对值都为最大

4.一只低压教学电源输出的交变电压瞬时值U=10sin314t(V),关于该电源的规格和使用,以下说法正确的是 ( )

A.这只电源可以使”10V 2W”的灯泡正常发光

B这只电源的交变电压的周期是314s

C.这只电源在t=O.Ols时电压达到最大值

D.“1OV 2μF”电容器不能接在这只电源上

5.如图7所示为理想变压器原线圈所接交流电压的波形。原、副线圈匝数比n1∶n2=10:1,串联在原线圈电路中电流表的示数为1A,下列说法正确的是( )

A.变压器输出端所接电压表的示数为20V

B.变压器的输出功率为200W

C.变压器输出端的交流电的频率为50Hz

D.穿过变压器铁芯的磁通量变化率的最大值为Wb/s

6.下列说法正确的是 ( )

A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号

B.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器,这种传感器作用是控制电路的通断

C.电子秤所使用的测力装置是力传感器

D.半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高,它的电阻值越大

7.如图8所示,M是一小型理想变压器,接线柱a、b接在电压u=311 sin314t(V)的正弦交流电源上,变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器,电流表A2为值班室的显示器,显示通过R1的电流,电压表 V2显示加在报警器上的电压(报警器未画出),R3为一定值电阻.当传感器R2所在处出现火警时,以下说法中正确的是…… ( )

A.A1的示数不变,A2的示数增大.

B.V1的示数不变,V2的示数减小

C.V1的示数不变,V2的示数增大

D.A1的示数增大 ,A2的示数减小

三、填空题
1.一台给低压照明电路供电的变压器,初级所加交流电压为u=311sin314t V。能够使次级获得有效值为36V的安全电压,它的初、次级线圈匝数之比应为_______。当次级电路使五盏“36V 40W”的灯泡正常发光时,它的初级电流的有效值是_______A。(该变压器可视为理想变压器)

2.一理想变压器,原线圈匝数= 1100,接在电压 220V的交流电源上。当它对 11只并联的“36V,60W”灯泡供电时,灯泡正常发光。由此可知该变压器副线圈的匝数 =_________,通过原线圈的电流 =_______ A。

3.如图9所示,理想变压器有两个次级线圈,已知n1:n2=10:1,R1=R2,当闭合S1断开S2时,与初级线圈连接的电流表的示数为0.4A,则R1中通过的电流最大值为________A;若断开S1,闭合S2,电流表的示数变为0.1A,则n1:n3=__________。

4.如图10所示是变压器电路,若变压器损失不计,加在原线圈上的电压V,输出电压V,绕过铁芯的导线所接的电压表的示数为2V,安培表A2的示数A,则原副线圈的匝数分别为 _______匝,_____匝,安培表A1的示数_________A.

5.某同学设计了一路灯控制电路如图11所示,光照射光敏电阻RG时,其阻值变小.设白天时继电器两端电压为U1,夜晚为U2,它们的大小关系是: .现要使路灯比平时早一些亮起来,应如何调节R1? .

四、计算题
1.如图12所示,交流发电机的矩形线圈abcd中,ab=cd=50cm,bc=ad=30cm,匝数n=100,线圈电阻r=0.2Ω,外电阻R=4.8Ω。线圈在磁感强度B=0.05T的匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴OOˊ匀速转动,角速度ω=100πrad/s。求:

(1)产生感应电动势的最大值;

(2)若从图示位置开始计时,写出感应电流随时间变化的函数表达式;

(3)交流电压表和交流电流表的示数;

(4)此发电机的功率。

2.如图13所示,有一台内阻为1.0Ω的发电机,通过匝数比为1:4的升压变压器和匝数比为4:1的降压变压器向用户供电,输电线的总电阻为4.0Ω,用户共有“220V 40W”的灯泡132盏,要保证他们都正常发光,发电机的输出功率和电动势应该为多大?输电的效率为多大?

3.如图14所示,一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动,在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝。将激光器与传感器上下对准,使二者间连线与转轴平行,分别置于圆盘的上下两侧,且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动,激光器连续向下发射激光束。在圆盘转动过程中,当狭缝经过激光器与传感器之间时,传感器接收到一个激光信号,并将其输入计算机,经处理后画出相应图线。图(a)为该装置示意图,图(b)为所接收的光信号随时间变化的图线,横坐标表示时间,纵坐标表示接收到的激光信号强度,图中Δt1=1.0×10-3s,Δt2=0.8×10-3s。

(1)利用图(b)中的数据求1s时圆盘转动的角速度;

(2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向;

(3)求图(b)中第三个激光信号的宽度Δt3。

参考答案:
一、单选题

1.A 2.C 3.B 4.D 5.C 6.B 7.B 8.B 9.A 10.A 11.B 12.C

二、多选题

1.AC 2.BD 3.CD 4.A D 5.BCD 6.B C 7.B D

三、填空题

1.55∶9;0.91 2.180;3 3.;20:1

4.1650,110,0.2 5.U1<U2 滑动端向上滑,使R1阻值变小

四计算题

1.(1)设ab=l1, bc=l2,则交流电动势的最大值为

=235.5V

(2)根据闭合电路欧姆定律,电流的最大值

47.1A

在图示位置时,电流有最大值,则电流的瞬时值表达式为,代入数值得

A。

(3)电流的有效值为=33.3 A,

路端电压的有效值为 U = IR = 160V,

这样,电压表的示数为160V,电流表的示数为33.3A。

(4)电动势的有效值为=167V,

则发电机的功率为 5561W。

2.设降压变压器的输出功率为P4,输出电流为I4,每个灯泡的额定功率为P0,额定电压为U0,共有n盏灯,则

A

由得 6.0A。

即I2=I3=6.0A,输电线上损失的电功率为 =144.0W

发电机的输出功率为 P1=P线+P4=nP0+ P线=5424W。

又 =24.0A

得发电机的输出电压 =226V,

在发电机与升压变压器原线圈构成的回路中,有

250V,

则输电线路的输电效率为 97.3%。

3.(1)由图线读得,转盘的转动周期T=1.0s-0.2s=1.8s-1.0s=0.8s ①

角速度 ②

(2)激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动(理由为:由于脉冲宽度在逐渐变窄,表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少,即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加,因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动)。

(3)设狭缝宽度为d,探测器接收到第i个脉冲时距转轴的距离为r1,第i个脉冲的宽度为△ti,激光器和探测器沿半径的运动速度为v。

r3-r2=r2-r1=Vt ④

r2-r1= ⑤

r3-r2= ⑥

由④、⑤、⑥式解得:

【返回参考资料列表】

参考资料
雨水传感器在汽车上的应用
现在,汽车中已经安装了越来越多的传感器以增加主动和被动安全性,一种具有极高的市场渗透性的传感器是雨水传感器,以增加舒适性和安全性。如果汽车有雨水传感器,驾驶者就无需调节雨刮器设置来迅速停止刮片的运动或者得到更好的视角。当在湿路上驾驶时,驾驶者就无需动手来打开雨刮器,所以驾驶者就可以集中精力开车。如果安装了附加的“辅助车灯开关”,车灯就会在昏暗超时的条件下打开,不会由于车灯一直开着而浪费燃料。目前大多数车型都采用的是单电机驱动的雨刮器系统。这套系统的优点不言而喻,采用连杆机构驱动2个雨刮,成本比较低。但雨刮的噪声和雨雪天气刮刷不净的现象还是时有发生。

一、雨水传感器工作原理
大多数的雨水传感器使用的是光学系统,由光发射二极管(LED)、光接收二极管(LRD)、周围环境传感器、电控制单元(ECU)和几个镜头组成。

由LED发出的光以全反射角度在挡风玻璃的外表面反射,其角度必须在420(玻璃-空气)和630(玻璃-水)之间。如果在挡风玻璃上游说,一些光会双倍射出,且这会引起从LRD出来的电流减少,电流以电子来评测,从LED发出的光反射到LRD的挡风玻璃区域被称之为传感器的“敏感区域”。仅仅当雨水滴到这个区域时,才可以被探测出来。为了由一个灵敏可靠的系统,挡风玻璃区域和灵敏区域之间必须要有一个较好的比例。

二、汽车雨刮系统
汽车挡风玻璃雨刮系统由雨传感器、雨刮器电动机、杆式开关、继电器和ECU组成。雨水传感器安装在挡风玻璃上,在扫除区域探测雨水时,雨刮器以一种能使驾驶者总有个很好的视角进行运动。有两种不同的系统。

1、独立的雨水系统:在这种系统中,雨水传感器直接与雨刮器杆式开关、雨刮器电动机继电器和雨刮器电动机停止信号相连。

2、网络雨水传感器:在这种系统中,雨水传感器连接到总线上,它通过网络接收所有信息并且发送所有命令。

在驾驶者打开系统后,雨水传感器控制了所有的扫除行为,它将命令单个雨刮器以低速扫除或以高速扫除。因为每个驾驶者对雨刮系统如何反映由不同的期望,因此,灵敏度设置可以使系统满足驾驶者不同的需要。Bosch新推出的雨刮器电机可以不断变化速度进行连续扫除。

三、信号评测
1、发射器
发射器由模-数转换器(DAC)和电源组成。DAC的模拟电压控制决定了LED发射出的光的强度,一般情况下使用2~4个LED。发射器的电流调节非常重要,因为光转化的有效性是非常可变得且有一个温度梯度。一般地,在LED中,光以脉动方式发射以减少损耗和增加电流。使用宽范围的发射器电流的另一个原因是光通过挡风玻璃的发射没有很好的规范且有很大的公差范围。一般的挡风玻璃都有4~6mm厚且对垂直于表面的IR由特定的发射级别。不同的供应商的上下限时不同的。

2、接收器
接收器有几个LRD、电流-电压转换器、清除或低频偏移的过滤器、放大器和ADC组成,它一般还包括微控制器。LRD有微控制器是由微控制器来控制着开和关。如果存在干扰光时,LRD会被关闭。发射的宽范围是使用可变的电流-电压转换来确保接收器系统的余下部分具有良好条件的原因。在转换以后,幸好被过滤。所有的DC或低频干扰都会被去掉以获得纯粹的信号。干扰一般由周围环境的光引起,干扰的量有微控制器来测量以决定光路是令人满意,还是被阳光所饱和,且会给出一个信号精度指示。过滤后的信号被ADC放大、转换。

3、微控制器
微控制器控制整个系统且对信号进行测评。在测量执行之前,最佳工作点被测评。同过测试来进行测评工作。在接收器中的转换比例最不希望在具有最大发射电流的ADC中有饱和信号。在发射电流被测评后,它在接收器里生成信号。它在定义了上下限之间。上限是由饱和效应决定而不是由ADC的精度决定。传感器在操作点开始工作。干扰和信号不断的被测量和测评。接收信号对时间的梯度和被规则系统用来测评正确的扫除策略,而且,周围的光被一个额外的传感器测量以探测白天或晚上的状况。在晚上,因为水珠对可见度由较大的影响,尤其是如果有其它车辆的明亮前灯照着的时候,所以,灵敏度会增加。

四、扫除模式
不同的扫除模式用于对所有雨水条件进行性能优化,对雨密度刮雨速度模式如图所示。

1、直接模式
在直接模式中,有一个以低雨刮速度的单一擦拭动作。当自动模式达开时和当系统探测到干燥的挡风玻璃时,这是一个最基本的工作状态。从这种状态中,每次下雨事件都会直接触发单一擦拭运动。在擦拭过程中,系统以低速度决定停、接续擦拭或转换到高速擦拭。

2、间歇模式
这种模式是用于下雨的情况且以低速运行单一擦拭。每隔几秒钟,传感器就会探测雨滴,两次下雨之间的时间决定了两次单一擦拭之间的间歇。在每次间歇的终了时,时间会被重新计算,雨越多,间歇越短,反之亦然。在计算中,前次间歇会被考虑进来以达到一种和谐的状态。否则“神经性的行为”将会惹烦驾驶者。如果计算的间歇要比最大间歇还要长,则系统会转到直接模式。在每一个擦拭循环中,传感器会检查决定是进行转换还是继续擦拭。

3、连续擦拭
在擦拭循环中,下雨的次数会被计算且雨滴的大小也会被评测,者用于得到雨强度的信息。根据这一强度,雨水传感器会产生低速、高速或具体的擦拭速度(如50r/min)。动态滞后,它在最后的循环中依靠这一事件,会阻止系统从一种速度快速地转换成另一种速度。使用刮雨器电动机停止信号的时间基准确保在所有条件下对所有雨刮器电动机正确操作。如果电动机以低速进行擦拭,探测时间减少且低速和高速之间的临界值会自动提高。雨水传感器模式总是在停止前将速度从高速减道低速以防止雨刮器产生机械应力

【返回参考资料列表】

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注