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发布时间:03-14 来源:人教版万象城国际网址资源

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“选修3-2人教版6.2传感器的应用优秀万象城国际网址课件”由人教版教师资源网精心整理,注册即可下载!

内容介绍

传感器的简单应用

传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等)转换成易于测量、传输、处理的电学量(如电压、电流、电容等)的一种组件,起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成,如:

一、传感器的含义

非电学量

转换器件

敏感元件

转换电路

电学量

二、传感器的分类

1.力电传感器

力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转化为电学信号(电压、电流等)的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中,如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。

(1)测物体的质量

R0

R0

V

R0

V

例1:图3-59甲是某同学在科技活动中自制的电子秤原理图,利用电压表的示数来指示物体的质量.托盘与电阻可忽略的弹簧相连,托盘与弹簧的质量均不计.滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接,当托盘中没有放物体时,电压表示数为零.设变阻器总电阻为R,总长度为L,电源电动势为E,内阻为r,限流电阻阻值为R0,弹簧劲度系数为k,若不计一切摩擦和其他阻力.

图3-59

(1)试推出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式; (2)由(1)计算结果可知,电压表示数与待测物体质量不成正比,不便于进行刻度,为了使电压表示数与待测物体质量成正比,请利用原有器材进行改进,在图3-59乙的基础上完成改进后的电路原理图,并推出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式.

5.(1)设变阻器的上端到滑动端的长度为x,据题意得mg=kx,

Rx=(x/L)R,

Ux=(Rx/Rx+R0+r)E.得:Ux=(mgRE/mgR+kL(R0+r)).(2)电路如图13所示,则

mg=kx,Rx=(x/L)R,Ux=(E/R0+R+r)Rx,则Ux=(gRE/(R0+R+r)kL)m.

(2)测物体加(角)速度

例题:加速度计是测定物体加速度的仪器,它已成为导弹、飞机、潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。如图为应变式加速度计示意图,当系统加速时,加速度计中的敏感元件也处于加速状态,敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上,支架与待测系统固定在一起,敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器R上自由滑动,当系统加速运动时,敏感元件发生位移,并转化为电信号输出,已知:敏感元件的质量为m,两弹簧的劲度系数为k,电源的电动势为E,内电阻不计,滑动变阻器的总电阻为R,有效长度为L,静态时输出电压为U0。试求加速度a与输出电压U的关系式。

敏感

元件

输出

信号

①滑动触头左右移动过程中,电路中电流如何变化?

②若车的加速度大小为a,则两弹簧的形变量是多少?

③求加速度a与输出电压U的关系式

角速度计

(2)测物体加(角)速度

可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。当系统绕轴OO′转动时,元件A发生位移并输出相应的电压信号,成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。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。滑动变阻器总长也为l ,电阻分布均匀,系统静止时P在B点,当系统以角速度ω转动时,试写出输出电压U与ω的函数式。

S

P

O′

输出电压U

解:设弹簧伸长x , 则

kx=m ω2(l+x)

∴ x= m ω2 l / ( k-m ω2 )

设滑动变阻器单位长度

的电阻为r1

U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l

∴ U= Em ω2 /(k-m ω2)

返回

例1. 惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中,这个系统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理的示意图如图示,沿导弹长度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为m的滑块,滑块的两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连,两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止,弹簧处于自然长度。滑块上有指针,可通过标尺测出滑块的位移,然后通过控制系统进行制导。1.设某段时间内导弹沿水平方向运动,指针向左偏离O点的距离为S,则这段时间内导弹的加速度 ( )

A. 方向向左,大小为 k S/m

B.方向向右,大小为 k S/m

C.方向向左,大小为 2k S/m

D. 方向向右,大小为 2k S/m

U

2. 若电位器(可变电阻)总长度为L,其电阻均匀,两端接在稳压电源U0上,当导弹以加速度a沿水平方向运动时,与滑块连接的滑动片P产生位移,此时可输出一个电信号U,作为导弹惯性制导系统的信息源,为控制导弹运动状态输入信息,试写出U与a 的函数关系式。

U

U0

解:a=2kS/m

∴ S=ma/2k

U=U0 Rx / R = U0 S / L

=maU0 / 2kL

=mU0 a / 2kL∝a

(3)测 力

例题:(风力测定仪)如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图,图中P为金属球,悬挂在一细长裸金属丝下面,O是悬挂点,R0是保护电阻,CD是水平放置的光滑电阻丝,与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触,无风时细金属丝与电阻丝在C点接触,此时电路中的电流为I,有风时细金属丝将偏转一角度θ(θ与风力大小有关),细金属丝与电阻丝在C/点接触,已知风力方向水平向左,OC=h,CD=L,球的质量为M,电阻丝单位长度的电阻为k,电源内电阻和细金属丝电阻均不计,金属丝偏转θ角时,电流表的示数为I/,此时风力大小为F,试写出:

①风力大小F与θ的关系式;

②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。

③此装置所测定的最大风力是多少?

R0

C/

θ

电源

(4)测 位 移

例题:(2003上海考题)演示位移传感器的工作原理如右图示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的金属滑杆p,通过电压表显示的数据,来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的,则下列说法正确的是 ( )

A. 物体M运动时,电源内的电流会发生变化

B. 物体M运动时,电压表的示数会发生变化

C. 物体M不动时,电路中没有电流

D. 物体M不动时,电压表没有示数

2。热电传感器

热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的,如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。

例题:如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导体热敏材料制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a、b之间接报警器。当传感器 R2 所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U 的变化情况是( )

A. I 变大,U 变大 B. I 变小,U 变小

C. I 变小,U 变大 D. I 变大,U 变小

R1

R2

R3

解:出现火情时温度升高,R2 减小, R总减小, I总增大,

Uab减小, U并减小, IA减小,

3.光电传感器

光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。

例题:(新教材 2003天津理综)如图,当电键K断开时,用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P,发现电流表读数不为零。合上电键,调节滑线变阻器,发现当电压表读数小于0.60V时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于0.60V时,电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为 ( )

A. 1.9eV B. 0.6eV

C . 2.5eV D. 3.1eV

解:反向截止电压为0.60V,

EKm= 0.60 eV

W=hν- EKm= 2.5-0.6=1.9 eV

4.声电传感器

例题:(2003上海试题)唱卡拉OK用的话筒,内有传感器。其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是 ( )

A 该传感器是根据电流的磁效应工作的

B 该传感器是根据电磁感应原理工作的

C 膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变

D 膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势

5.电容式传感器

电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度、位移、深度等)的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化,起这种作用的电容器称为电容式传感器。

图甲是测量 的电容式传感器,原理是

定片

θ

角度θ

由于C∝S,动片与定片间的角度θ发生变化时,引起S的变化,通过测出C的变化,测量动片与定片间的夹角θ

图乙是测量 的电容式传感器,原理是

金属芯线

电介质

导电液体

液面高度h

由于C∝S,h发生变化,金属芯线和导电液体组成的电容发生变化,通过测定C的变化,可以测量液面高度h 的变化。

图丙是测量 的电容式传感器,原理是

固定电极

可动电极

压力F

由于C∝1/d,压力F 作用在可动电极上,引起极板间距d 的变化,通过测出C的变化,测量压力F的变化。

图丁是测量 的电容式传感器,原理是

极板

电介质

位移x

由于C 随着电介质进入极板间的长度发生变化,通过测出C的变化,测量位移x的变化。

题目:随着生活质量的提高,自动干手机已进入家庭,洗手后,将湿手靠近自动干手机,机内的传感器便驱动电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作,是因为 ( )

A. 改变了湿度 B. 改变了温度

C. 改变了磁场 D. 改变了电容

6.电感传感器

电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置,一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。

实例:磁性物质探测报警器

录音机

为了测量列车运行的速度和加速度的大小,可采用如图所示的装置,它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的(测量仪未画出)。当列车经过线圈上方时,线圈中产生的电流被记录下来,就能求出列车在各位置的速度和加速度。假设磁体端部磁感强度为B=0.004T,且全部集中在端面范围内,与端面垂直,磁体宽度与线圈宽度相同,且都很小,线圈匝数n=5,长L=0.2m,电阻0.4Ω(包括引线电阻),测试记录下来的电流—位移如图所示。试求:

⑴在离O(原点)30m,130m处列车的速度v1和v2的大小

⑵假设列车是匀变速运动,求列车加速度的大小

i /A

0.10

0 .05

-0 .05

-0.10

-0.15

S/m

解:I=E/R=nBLv/R

v=IR/nBL= 0.4I/5×0.004×0.2= 100×I

在30m处,I1 =0.12A

∴v1=12m/s

在130m处,I2 =0.15A

∴v2=15 m/s

∴ a =( v22 - v12 )/ 2S

= 0.405 m/s2

例、 用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器,要求是:正常情况绿灯亮,有险情时电铃报警。可供选择的器材如下:热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。

e

解:热敏电阻受到光照射时电阻变小 ,将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端,如图示:

将学生用电源与电铃分别接入c、d、e之间。

正常时热敏电阻值大,ab间电流小,磁性弱,ce处于闭合,绿灯亮。

有险情时,光敏电阻值小, ab间电流大,磁性强,吸住衔铁,cd闭合,ce断开,绿灯灭,电铃响。

练习、 用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控制路灯的实验电路。要求是:光暗时灯亮,光亮时灯灭。可供选择的器材如下:光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。

e

解:光敏电阻受到光照射时电阻变小 ,将光敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端,如图示:

将交流电源与路灯接入c、e之间。

220V

光暗时光敏电阻值大,ab间电流小,磁性弱,ce处于闭合,灯亮。

光亮时,光敏电阻值小, ab间电流大,磁性强,吸住衔铁,电路ce处断开,灯灭。

03年上海高考18、

(7分)图1为某一热敏电阻R(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。

⑴为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线,在图2和图3两个电路中应选择的是图 ;简要说明理由:

。(电源电动势为9V,内阻不计,滑线变阻器的阻值为0-100Ω)

⑵在图4电路中,电源电压恒为9V,电流表读数为70mA,定值电阻R1=250Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为________V;电阻R2的阻值为 Ω。

⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子:_____________。

V

图2

V

图3

I/mA

U/V

1 2 3 4 5 6 7

图1

R1

R2

热敏电阻

图4

9V

电压可从0V调到所需电压,调节范围较大

解: ⑵ I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA

由图1得 UR=5.2V

5.2

R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 Ω

111.6—112.0

热敏温度计

如图示,将一光敏电阻连入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于Ω档,用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ, 现用手掌挡住部分光线,表针的偏角变为θ ′,则可判断 ( )

A. θ ′= θ

B. θ ′< θ

C. θ ′>θ

D. 不能确定θ和 θ 的关系′

θ

五、传感器可将非电学量转化为电学量,起自动控制作用。如计算机鼠标中有位移传感器,电熨斗、电饭煲中有温度传感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器……

10.演示位移传感器的工作原理如右图示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的金属滑杆p,通过电压表显示的数据,来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的,则下列说法正确的是 ( )

A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化

B.物体M运动时,电压表的示数会发生变化

C.物体M不动时,电路中没有电流

D.物体M不动时,电压表没有示数

03年上海理综10

11.唱卡拉OK用的话筒,内有传感器。其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是 ( )

A.该传感器是根据电流的磁效应工作的

B.该传感器是根据电磁感应原理工作的

C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变

D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势

03年上海理综11

12.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

03年上海理综12

将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中,如图所示,在箱的上顶板和下底板装有压力传感器,箱可以沿竖直轨道运动。当箱以a=2.0 m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时,上顶板的传感器显示的压力为6.0N,下底板的传感器显示的压力为10.0N。(取g=10 m/s2)

(1)若上顶板传感器的示数是下底板

传感器的示数的一半, 试判断箱的运

动情况。

(2)要使上顶板传感器的示数为零,箱

沿竖直方向运动的情况可能是怎样的?

原来

解:

向上做匀减速运动a向下a=2m/s2

F=10N

F1 =6N

mg

mg+F1-F=ma

m=0.5kg

上顶板示数是下底板示数的1/2

弹簧长度不变F=10N F2=5N

mg

F2

mg+F2-F=ma2

a2=0

静止或匀速运动

上顶板示数为零,则弹簧变短,

F≥10N F3=0

mg

a3

F – mg = ma3

a3 ≥ 10m/s2

向上加速或向下减速,加速度a≥ 10m/s2。

原来

解:

上顶板示数为零,则弹簧变短,

F≥10N F3=0

mg

a3

F – mg = ma3

a3 ≥ 10m/s2

向上加速或向下减速,加速度a≥ 10m/s2。

向上做匀减速运动a=2m/s2

F=10N

mg

F1 =6N

mg+F1-F=ma

m=0.5kg

上顶板示数是下底板示数的1/2

弹簧长度不变F=10N F2=5N

mg

F2

mg+F2-F=ma2

a2=0

静止或匀速运动

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