5.2 传感器的应用(一)(共35张PPT)

(共35张PPT)
传感器的应用
一般情况下传感器产生的电压（流）等电学物理量的信号值都相当微弱的，难以带动执行机构去实现控制动作，所以一般都是将传感器和各种门电路、放大电路等结合在一起使用的。
传感器应用的一般模式
一、力传感器的应用——1 电子秤
阅读教材，思考并回答问题：
（1）电子秤使用的测力装置是什么？
它是由什么元件组成的？
（2）简述力传感器的工作原理。
（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？
应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量（输出应变片上下表面的电压差值）
形变
（力学量）
电 压
（电学量）
转换
金属梁
1.关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是 （ ）
A.应变片多用半导体材料制成
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
A B D
2：（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
B
1、动圈式话筒：
膜片在声波下振动，使得与膜片相连的线圈中产生周期性变化的感应电流。
二、声传感器的应用——话筒
2、电容式话筒：
金属膜片M 和固定电极 N 形成一 个电容器,M 在声波作用下振动,电容器的电容作周期性变化，电阻R 两端的电压也做相应的周期性变化。
绝缘支架
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
B
金属板
金属膜
振动膜
外电路
图5
例题：如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在电路中的其它量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的（ ）
（A）距离变化 （B）正对面积变化
（C）介质变化 （D）电压变化
A
3、驻极体话筒：
它由内部的驻极体塑料膜感受声波，其工作原理与电容式话筒类似，但是工作的电压只须 3～6 V，
＋
＋
＋
－
－
－
特点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，常用在盒式录音机、声控玩具等便宜的家电上
常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。
三、温度传感器的应用——1.电熨斗
双金属片温度传感器：
电烫斗的构造
思考与讨论：
●常温下两触点是接触还是分离？
●如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？
感温铁氧体的“居里点”：
感温铁氧体在常温下具有铁磁性，但温度升高到103℃时便失去了铁磁性，这个温度称为这种材料的“居里温度”或“居里点”。
4 .电饭锅
电饭锅的构造
思考与讨论：
●开始做饭时为什么要压下开关按钮？
●若用电饭锅烧水，水在沸腾以后是否会自动断电？
5、测温仪
用温度传感器可以把温度转换为电信号。测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线敏感元件等。
电信号可以远距离输送，因而温度传感器可以远距离读取温度。
四、光传感器的应用——1.鼠标器
鼠标中的红外接收管就是光传感器。鼠标移动时，滚球带动 x、y 方向两个码盘转动，红外管接收到一个个红外线脉冲。计算机分别统计 x、y 两个方向上的脉冲信号，就能确定鼠标的位置。
2. 火灾报警器
光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器。平时，发光二极管发出的光被不透明挡板挡住。当有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作。
小 结
1、温度传感器
的应用
（1）电饭锅
（2）测温仪
2、光传感器
的应用
（1）鼠标器
（2）火灾报警器
温度传感器的应用
【例1】如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当 a、b端电压 Uab<0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab>0时，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_________℃．
35
解：设电路两端电压为为U，当Uab=0时，
有
解得Rt=20 kΩ
由图乙可知，当Rt=20 kΩ时，t=35℃．
光传感器的应用
【例2】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是 ，小车速度的表达式为v= ；行程的表达式为= 。
车轮的半径R和齿轮P
3.如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上物品，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（ ）
（A）当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
（B）当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
（C）信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
（D）信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
B D
R2
A
R1
信号处理系统
图3
B
力电转换器
＋
＋
－
－
输出
输入
受压面
4：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（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上物体，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）。请完成对该物体的测量m。
（1）设计一个电路，要求力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。
力电转换器
＋
＋
－
－
输出
输入
受压器
S
V
R
解析： （1）设计的电路图如图所示，输入电压采用分压接法目的是让电压可调范围尽可能大。
（2）测量步骤：
①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。
②将质量为m0的砝码放在转换器上，记下输出电压U0。
③将待测物体放在转换器上，记下输出电压U1，由U0=km0g得k=U0/m0g，测得U1=kmg，所以m=m0U1/U0。
（3）可能出现的问题
①因电源电压不够而输出电压
调不到零。
②待测物体质量超出转换器量程。
2.加速度计 问题与练习2
1、两个电池的电动势
一样大
2、滑片在中间位置电
压表的读数为零
3、P 点电势高与 Q点
时，指针向右偏转
练习：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，沿导弹长度方向安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。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
0
10
10
U
P
D
(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。
0
10
10
U
P
U0
解：a=2kx/m
∴ x=ma/2k
U=U0 Rx / R = U0 x / L
=maU0 / 2kL
=mU0 a / 2kL∝a
练习: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。
A
S
P
C
B
ω
O
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)
练习、 用如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度．该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器．用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0 kg的滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出．现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后．汽车静止时，传感器a、b在的示数均为 10 N（取g=10 m／s2）．
（1）若传感器a的示数为 14 N、b的示数为6.0 N，求此时汽车的加速度大小和方向．
（2）当汽车以怎样的加速度
运动时，传感器a的示数为零．
解：（1）如图所示，依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力 F1=14N，右侧弹簧对滑块的向左的推力
F2=6.0 N．滑块所受合力产生加速度a1，根据牛
顿第二定律有
得 a=4 m/s2
a1与F1同方向，即向前（向右）．
（2）a传感器的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力F1/=0，因两弹簧相同，左弹簧伸长多少，右弹簧就缩短多少，所以右弹簧的弹力变为F2/=20N。滑块所受合力产生加速度，由牛顿第二定律得，a2=10m/s2，方向向左．
练习：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？
m
原来
（1）
（2）
解：
m
向上做匀减速运动a向下a=2m/s2
F=10N
F1 =6N
mg
a
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
F
mg
F2
a2
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
F
mg
a3
F – mg = ma3
a3 ≥ 10m/s2
向上加速或向下减速，加速度a≥ 10m/s2。
03年上海高考18、
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，理想电流表读数为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：_____________。
2
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
V
A
图2
V
A
图3
I/mA
U/V
1 2 3 4 5 6 7
50
0
图1
10
20
30
40
A
R1
R2
热敏电阻
图4
R
9V
光束原来是连续的，是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的转动有关，也就与速度和行程有关。
根据速度的意义和车正常行驶的情况，应有v=2πR f，其中R为车轮的半径，f为单位时间内车轮转过的圈数；若车轮的齿数为P，则转一圈应有P个脉冲被B接收到，因此有 代入上式，有
同样，根据行程的意义，应有，其中f为整个行程中车轮转过的圈数；而 ，所以
可见，还必须测量的物理量和数据是车轮的半径R和齿轮齿数P，速度和行程的表达式如上面两式所示。