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传感器的应用ppt

发布日期:2020-11-26 21:15

  传感器的应用ppt_物理_自然科学_专业资料。第2节 传感器的应用 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

  第2节 传感器的应用 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。 传感器应用实例 一、力传感器的应用——电子秤 U1 U2 阅读教材,思考并回答问题:金属梁 (1)电子秤用的测力装置是什么?它由什么元件组成? (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? 例1: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。 受压面 输入 + 力电转换器 - 输出 + - (1) 设计电路如图 (2) 测量步骤与结果:①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为 零,②将砝码放在转换器上,记下输出电压U0,③将待测物放在转换 器上,记下输出电压U 由U0=km0g,得k=U0/m0g U=k m g,所以 m=m0U/U0 例题2:(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: R0 ①风力大小F与θ的关系式; 电 ②风力大小F与电流表示数I’ 的关系式。 源 AO θ ③此装置所测定的最大风力是多少? B D C P 例题3:(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( B ) 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 例4: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。 解:设弹簧伸长x , 则 ∴ 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) Oω A O′ 输出电压U P B C S 例5: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) m (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? 解: 原来 F=10N m (1) F a mg F1 =6N 向上做匀减速运 动a向下a=2m/s2 mg+F1-F=ma m=0.5kg a2 mg F2 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-F=ma2 a2=0 静止或匀速运动 (2) F a3 mg 上顶板示数为零,则弹 簧变短F≥10N F3=0 F – mg = ma3 a3 ≥ 10m/s2 向上加速或向下减速, 加速度a≥ 10m/s2。 传感器应用实例 二、声传感器的应用——线)线)说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。 (3)说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这 种线)驻极体话筒的工作原理是什么?有何优点? 4.声电传感器 例题1.(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 B 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 传感器应用实例 三、温度传感器的应用——电熨斗 双金属片温度传感器: 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。 例2.日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置,它的热敏功能 器是双金属片,你能说出启动器的工作原理吗? 解析:日光灯启动器结构如图所示, 内有一双金属片,热膨胀系数不同。 静触片 开关闭合后,启动器两极之间有电 压使氖气放电而发出辉光,辉光发 出的热量使U形动触片受热膨胀向外 图1 延伸,碰到静触片接触,电路接通; 温度降低时,U动触片向里收缩,离 开触点,切断电路。 氖泡 U形动触片 电熨斗的构造 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? 例3.电熨斗:利用双金属片温度传感器控制电路的通断. 四、温度传感器的应用——电饭锅 (1)电饭锅中温度传感器的主要元件是什么? (2)感温铁氧体的组成物质是什么? (3)感温铁氧体有何特点? (4)什么是“居里点”? 思考并回答教材“思考与讨论”中的问题,了解电饭锅的 工作原理 (1).开始煮饭时为什么要压下开关按钮?手松开后这个按 钮是否恢复到图示的状态?为什么? (2).煮饭时水沸腾后锅内是否回大致保持一定的温度?为 : 什么? (3).饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会有什么变化 ?这时电饭锅会自动地发生哪些动作? (4).如果用电饭锅烧水,能否在水沸腾后自动断电? 例1、如图所示是电饭煲的电路图,S1是一个控温开关, 手动闭合后,当此开关温度达到居里点(103℃)时,会 自动断开。S2是一个自动控温开关,当温度低于70℃时会 自动闭合;温度高于80℃时,会自动断开。红灯是加热时 的指示灯,黄灯是保温时的指示灯。分流电阻R1=R2= 500Ω ,计算加热电阻丝R3=50Ω ,两灯电阻不计。 (1)分析电饭煲的工作原理。 (2)计算加热和保温两种状态下消耗的电功率之比。 (3)简要回答,如果不闭合开关S1,能将饭煮熟吗? 例2.如图所示是一种热敏电阻(PTC元件)的电阻R随温度t变化的 关系图线,这种元件具有发热、控温双重功能.常见的电热灭蚊器 中就使用这种元件来加温并控制温度.如果将该元件接到220V恒定 电压下,则( AD) A.通电后,其电功率先增大后减小 B.通电后,其电功率先减小后增大 C.当其发热功率等于散热功率时,温度保持在t1不变 D.当其发热功率等于散热功率时,温度保持在t1 到t2之间的某一 值不变 R t/℃ t1 t2 例3.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关系的完整曲线两个 电路中应选择的是图 2 ;简要说明理由: 电压可从0V调到所需电压,调节范围较大 。 ( 电 源 电 动 势 为 9V,内阻不计,滑线mA,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___5_._2___V;电阻R2的阻值为 111.6—112.0 Ω。 ⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子:_热__敏__温__度__计____。 I/mA 50 40 30 20 10 0 12 3 图4 1 5 6 7 U/V V A 图2 V A 图3 A R2 9V R1 热 R 敏 电 阻 图4 例4.如图所示甲为在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简 图,箱内电阻R1=20kΩ ,R2=10kΩ ,R3=40 kΩ ,R1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 提温度高恒;定当在Ua_b﹥_305_℃时℃,。电压鉴别器使S断开,停止加热,恒温箱内的 解析:设电路路端电压为U,当Uab=0时, 有UR1/(R1﹢R2)=UR3/(R3﹢Rt) 解得Rt=20kΩ 由图乙可知,当Rt=20kΩ 时,t =35℃ 例5. 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。 a bc d e 光传感器的应用——火灾报警器 阅读:P68 回答 利用烟雾对光的散 射来工作的火灾报 警器为例,简述其 工作原理 例1.如图是天花板上装的火灾报警器,平时,发光二极管 LED发出的光被挡板挡住,光电三极管收不到光,呈现高 电阻状态;当有烟雾进入罩内后,对光线向各个方向散射, 使部分光线照射到光电三极管上,其阻值变小,与传感器 连接的电路检测到这种变化,就会发出警报. 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2.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′ B θ 例3.(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 ) A 1.9eV B 0.6eV C 2.5eV D 3.1eV 例4.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) 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 例5.如图6-3-3所示为实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的 示意图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在小车上,C为 小车的车轮.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,由电路记录和显 示.若实验显示单位时间的脉冲数n,累积脉冲数为N,则要测出 小车的速度和行程还必须测量的物理数据车轮的半径R和齿轮的齿 数P: ;小车速度的表达式为V=_2_πR_n/_P ___;行程的表达式 为s=___2_πR_N/_P ___. 例6.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。 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。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。 220V ce b a 六 电容传感器 : 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。 例1.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 (D ) A.改变了湿度 C.改变了磁场 B.改变了温度 D.改变了电容 例2.图甲是测量 角度θ 的电容式传感器,原理是由于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 液面高度h 的电容式传感器,原理是由于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 压力F 的电容式传感器,原理是由于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 位移x 的电容式传感器,原理是由于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。 θ 金属芯线 固定电极 极板 电介质 x h 定片 甲 导电液体 乙 F 可动电极 丙 电介质 丁 例题3.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) (A)距离变化 (B)正对面积变化 (C)介质变化 (D)电压变化 金属 膜 振动 膜 金属 板 外电 路 图5 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 N S 录音机 例1.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Ω(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 B OS 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 i /A 0.15 0.10 0 .05 0 -0 .05 -0.10 -0.15 50 100 S/m 150