《傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用》PPT課件.ppt

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傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用呂叔湘中學(xué)龐留根2005年5月,一、傳感器的含義二、傳感器的分類1.力電傳感器（1）測(cè)物體的質(zhì)量（2）測(cè)物體加速度（3）測(cè)物體角速度例1.（4）測(cè)力（5）測(cè)位移03年上海理綜10.2.熱電傳感器3.光電傳感器03年天津理綜、05年鹽城二模9.4.聲電傳感器5.電容式傳感器例26.電感傳感器實(shí)例:例3例4練習(xí)103年上海高考18例5練習(xí)203年上海理綜12例6例72005年上海卷23,傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用,傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）的一種組件，起自動(dòng)控制作用。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成，如：,一、傳感器的含義,,轉(zhuǎn)換器件,,敏感元件,,轉(zhuǎn)換電路,,二、傳感器的分類,1.力電傳感器,力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學(xué)信號(hào)（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等。,,（1）測(cè)物體的質(zhì)量,,（2）測(cè)物體加速度,例題：加速度計(jì)是測(cè)定物體加速度的儀器，它已成為導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇后宇宙飛船制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。如圖為應(yīng)變式加速度計(jì)示意圖，當(dāng)系統(tǒng)加速時(shí)，加速度計(jì)中的敏感元件也處于加速狀態(tài)，敏感元件由彈簧連接并架在光滑支架上，支架與待測(cè)系統(tǒng)固定在一起，敏感元件下端的滑動(dòng)臂可在滑動(dòng)變阻器R上自由滑動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，敏感元件發(fā)生位移，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，已知：敏感元件的質(zhì)量為m，兩彈簧的勁度系數(shù)為k，電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)電阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的總電阻為R，有效長度為L，靜態(tài)時(shí)輸出電壓為U0。試求加速度a與輸出電壓U的關(guān)系式。,①滑動(dòng)觸頭左右移動(dòng)過程中，電路中電流如何變化？,②若車的加速度大小為a，則兩彈簧的形變量是多少？,③求加速度a與輸出電壓U的關(guān)系式,,角速度計(jì),（3）測(cè)物體角速度,可測(cè)量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)系統(tǒng)繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，元件A發(fā)生位移并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。已知A的質(zhì)量為m，彈簧的勁度系數(shù)為k、自然長度為l，電源的電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻不計(jì)。滑動(dòng)變阻器總長也為l，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時(shí)P在B點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，試寫出輸出電壓U與ω的函數(shù)式。,解：設(shè)彈簧伸長x,則,kx=mω2(l+x),∴x=mω2l／(k-mω2),設(shè)滑動(dòng)變阻器單位長度的電阻為r1,U=IRx=Exr1／lr1=Ex/l,∴U=Emω2／(k-mω2),,例1.慣性制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈工程中，這個(gè)系統(tǒng)的重要元件是加速度計(jì)。加速度計(jì)的構(gòu)造和原理的示意圖如圖示，沿導(dǎo)彈長度方向按裝的固定光滑桿上套一個(gè)質(zhì)量為m的滑塊，滑塊的兩側(cè)分別與勁度系數(shù)均為k的彈簧相連，兩彈簧的另一端與固定壁相連?；瑝K原來靜止，彈簧處于自然長度?；瑝K上有指針，可通過標(biāo)尺測(cè)出滑塊的位移，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)。1.設(shè)某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運(yùn)動(dòng)，指針向左偏離O點(diǎn)的距離為S，則這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈的加速度（）A.方向向左，大小為kS/mB．方向向右，大小為kS/mC．方向向左，大小為2kS/mD.方向向右，大小為2kS/m,D,,2.若電位器（可變電阻）總長度為L，其電阻均勻，兩端接在穩(wěn)壓電源U0上，當(dāng)導(dǎo)彈以加速度a沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與滑塊連接的滑動(dòng)片P產(chǎn)生位移，此時(shí)可輸出一個(gè)電信號(hào)U，作為導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源，為控制導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸入信息，試寫出U與a的函數(shù)關(guān)系式。,解：a=2kS/m,∴S=ma/2k,U=U0Rx/R=U0S/L,=maU0/2kL,=mU0a/2kL∝a,,,（4）測(cè)力,例題：（風(fēng)力測(cè)定儀）如圖所示為一種測(cè)定風(fēng)作用力的儀器原理圖，圖中P為金屬球，懸掛在一細(xì)長裸金屬絲下面，O是懸掛點(diǎn)，R0是保護(hù)電阻，CD是水平放置的光滑電阻絲，與懸掛小球的細(xì)金屬絲始終保持良好接觸，無風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲與電阻絲在C點(diǎn)接觸，此時(shí)電路中的電流為I，有風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲將偏轉(zhuǎn)一角度θ（θ與風(fēng)力大小有關(guān)），細(xì)金屬絲與電阻絲在C點(diǎn)接觸，已知風(fēng)力方向水平向左，OC=h，CD=L，球的質(zhì)量為M，電阻絲單位長度的電阻為k，電源內(nèi)電阻和細(xì)金屬絲電阻均不計(jì)，金屬絲偏轉(zhuǎn)θ角時(shí)，電流表的示數(shù)為I/，此時(shí)風(fēng)力大小為F，試寫出：,①風(fēng)力大小F與θ的關(guān)系式；,②風(fēng)力大小F與電流表示數(shù)I的關(guān)系式。,③此裝置所測(cè)定的最大風(fēng)力是多少？,,（5）測(cè)位移,五、傳感器可將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，起自動(dòng)控制作用。如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中有位移傳感器，電熨斗、電飯煲中有溫度傳感器，電視機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、空調(diào)機(jī)中有光電傳感器……演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿p，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說法正確的是()A.物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化B.物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化C.物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒有電流D.物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒有示數(shù),B,03年上海理綜10.,,2。熱電傳感器,熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化的原理制成的,如各種家用電器(空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機(jī)、電飯煲等)的溫度控制、火警報(bào)警器、恒溫箱等。,例題：如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示意圖。其中R2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報(bào)警器。當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況是（）A.I變大，U變大B.I變小，U變小C.I變小，U變大D.I變大，U變小,解：出現(xiàn)火情時(shí)溫度升高，R2減小，R總減小，I總增大，Uab減小，U并減小，IA減小，,B,,３.光電傳感器,光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管。如果是光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的變化而變化的原理制成的。如自動(dòng)沖水機(jī)、路燈的控制、光電計(jì)數(shù)器、煙霧報(bào)警器等都是利用了光電傳感器的原理。,例題：（新教材2003天津理綜）如圖，當(dāng)電鍵K斷開時(shí)，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上電鍵，調(diào)節(jié)滑線變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時(shí)，電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材料的逸出功為()A.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eV,解：反向截止電壓為0.60V，EKm=0.60eVW=hν-EKm=2.5-0.6=1.9eV,A,,05年鹽城二模9.,如圖示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻,此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是()A.當(dāng)有光照射R1時(shí),信號(hào)處理系統(tǒng)獲得較高電壓B.當(dāng)有光照射R1時(shí),信號(hào)處理系統(tǒng)獲得較低電壓C.信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次較低電壓就記數(shù)一次D.信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次較高電壓就記數(shù)一次,BD,,4.聲電傳感器,例題：（2003上海理綜11）唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)有傳感器。其中有一種是動(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。下列說法正確的是()A該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的B該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的C膜片振動(dòng)時(shí)，穿過金屬線圈的磁通量不變D膜片振動(dòng)時(shí)，金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),B,,5.電容式傳感器,電容器的電容C決定于極板的正對(duì)面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的變化能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，則通過測(cè)定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化，起這種作用的電容器稱為電容式傳感器。,圖甲是測(cè)量的電容式傳感器，原理是。,角度θ,由于C∝S，動(dòng)片與定片間的角度θ發(fā)生變化時(shí)，引起S的變化，通過測(cè)出C的變化，測(cè)量動(dòng)片與定片間的夾角θ,圖乙是測(cè)量的電容式傳感器，原理是。,液面高度h,由于C∝S，h發(fā)生變化，金屬芯線和導(dǎo)電液體組成的電容發(fā)生變化，通過測(cè)定C的變化，可以測(cè)量液面高度h的變化。,,圖丙是測(cè)量的電容式傳感器，原理是,。,壓力F,由于C∝1/d，壓力F作用在可動(dòng)電極上，引起極板間距d的變化，通過測(cè)出C的變化，測(cè)量壓力F的變化。,圖丁是測(cè)量的電容式傳感器，原理是,。,位移x,由于C隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度發(fā)生變化，通過測(cè)出C的變化，測(cè)量位移x的變化。,,,例2、隨著生活質(zhì)量的提高，自動(dòng)干手機(jī)已進(jìn)入家庭，洗手后，將濕手靠近自動(dòng)干手機(jī)，機(jī)內(nèi)的傳感器便驅(qū)動(dòng)電熱器加熱，有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出，將濕手烘干。手靠近干手機(jī)能使傳感器工作，是因?yàn)椋ǎ〢.改變了濕度B.改變了溫度C.改變了磁場(chǎng)D.改變了電容,,,,D,,6.電感傳感器,電感式傳感器是利用線圈的自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量或控制的一種裝置，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用磁體的某些現(xiàn)象。,實(shí)例：磁性物質(zhì)探測(cè)報(bào)警器,,例3、為了測(cè)量列車運(yùn)行的速度和加速度的大小，可采用如圖所示的裝置，它是由一塊安裝在列車頭底部的強(qiáng)磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電流測(cè)量儀組成的(測(cè)量儀未畫出)。當(dāng)列車經(jīng)過線圈上方時(shí),線圈中產(chǎn)生的電流被記錄下來，就能求出列車在各位置的速度和加速度。假設(shè)磁體端部磁感強(qiáng)度為B=0.004T,且全部集中在端面范圍內(nèi)，與端面垂直，磁體寬度與線圈寬度相同，且都很小，線圈匝數(shù)n=5，長L=0.2m,電阻0.4Ω(包括引線電阻)，測(cè)試記錄下來的電流—位移如圖所示。試求：⑴在離O(原點(diǎn))30m,130m處列車的速度v1和v2的大?、萍僭O(shè)列車是勻變速運(yùn)動(dòng)，求列車加速度的大小,,解：I=E/R=nBLv/R,v=IR/nBL=0.4I／50.0040.2=100I,在30m處，I1=0.12A∴v1=12m/s,在130m處，I2=0.15A∴v2=15m/s,∴a=（v22-v12）/2S=0.405m/s2,,,例4、用如圖示的電磁繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)高溫報(bào)警器，要求是：正常情況綠燈亮，有險(xiǎn)情時(shí)電鈴報(bào)警。可供選擇的器材如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學(xué)生用電源、繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線。,解：熱敏電阻受到光照射時(shí)電阻變小，將熱敏電阻、小燈泡、學(xué)生用電源、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)串聯(lián)接入繼電器的a、b端，如圖示：,將學(xué)生用電源與電鈴分別接入c、d、e之間。,正常時(shí)熱敏電阻值大，ab間電流小，磁性弱，ce處于閉合，綠燈亮。有險(xiǎn)情時(shí)，光敏電阻值小,ab間電流大,磁性強(qiáng),吸住銜鐵,cd閉合,ce斷開,綠燈滅,電鈴響。,,練習(xí)1、用如圖示的電磁繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)由光敏電阻來控制路燈的實(shí)驗(yàn)電路。要求是：光暗時(shí)燈亮，光亮?xí)r燈滅?？晒┻x擇的器材如下：光敏電阻、小燈泡、學(xué)生用電源、繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線。,解：光敏電阻受到光照射時(shí)電阻變小，將光敏電阻、小燈泡、學(xué)生用電源、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)串聯(lián)接入繼電器的a、b端，如圖示：,將交流電源與路燈接入c、e之間。,光暗時(shí)光敏電阻值大，ab間電流小，磁性弱，ce處于閉合，燈亮。光亮?xí)r，光敏電阻值小，ab間電流大，磁性強(qiáng)，吸住銜鐵，電路ce處斷開，燈滅。,,03年上海高考18、,（7分）圖1為某一熱敏電阻R(電阻值隨溫度的改變而改變，且對(duì)溫度很敏感)的I-U關(guān)系曲線圖。⑴為了通過測(cè)量得到圖1所示I-U關(guān)系的完整曲線，在圖2和圖3兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖；簡(jiǎn)要說明理由：。（電源電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)阻不計(jì)，滑線變阻器的阻值為0-100Ω）⑵在圖4電路中，電源電壓恒為9V，電流表讀數(shù)為70mA，定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關(guān)系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為________V；電阻R2的阻值為Ω。⑶舉出一個(gè)可以應(yīng)用熱敏電阻的例子：_____________。,2,電壓可從0V調(diào)到所需電壓，調(diào)節(jié)范圍較大,解:⑵I1=9/250=0.036A=36mAI2=34mA,由圖1得UR=5.2V,5.2,R2=(9-5.2)/0.034=111.8Ω,111.6—112.0,熱敏溫度計(jì),,例5、如圖示，將一光敏電阻連入多用電表兩表筆上，將多用電表的選擇開關(guān)置于Ω檔，用光照射光敏電阻時(shí)表針的偏角為θ，現(xiàn)用手掌擋住部分光線，表針的偏角變?yōu)棣?，則可判斷()A.θ=θB.θθD.不能確定θ和θ的關(guān)系,B,,練習(xí)2、某儀器內(nèi)部電路如圖所示，其中M是一個(gè)質(zhì)量較大的金屬塊，左右兩端分別與金屬絲制成的彈簧相連，并套在光滑水平細(xì)桿上，a、b、c三塊金屬片的間隙很小，（b固定在金屬塊上）。當(dāng)金屬塊處于平衡時(shí)，兩根彈簧均處于原長狀態(tài)，若將該儀器固定在一輛汽車上，則下列說法正確的是（）A.當(dāng)汽車加速前進(jìn)時(shí)，甲燈亮B.當(dāng)汽車加速前進(jìn)時(shí)，乙燈亮C.當(dāng)汽車剎車時(shí)，乙燈亮D.當(dāng)汽車剎車時(shí)，甲、乙燈均不亮,B,,12．用遙控器調(diào)換電視機(jī)頻道的過程，實(shí)際上就是傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的過程。下列屬于這類傳感器的是（）A．紅外報(bào)警裝置B．走廊照明燈的聲控開關(guān)C．自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器,03年上海理綜12、,A,,,例6、將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個(gè)矩形的箱中，如圖所示，在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運(yùn)動(dòng)。當(dāng)箱以a=2.0m/s2的加速度豎直向上做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，上頂板的傳感器顯示的壓力為6.0N，下底板的傳感器顯示的壓力為10.0N。(取g=10m/s2)(1)若上頂板傳感器的示數(shù)是下底板傳感器的示數(shù)的一半，試判斷箱的運(yùn)動(dòng)情況。(2)要使上頂板傳感器的示數(shù)為零,箱沿豎直方向運(yùn)動(dòng)的情況可能是怎樣的？,,,向上做勻減速運(yùn)動(dòng)a向下a=2m/s2,mg+F1-F=ma,m=0.5kg,上頂板示數(shù)是下底板示數(shù)的1/2,彈簧長度不變F=10NF2=5N,mg+F2-F=ma2,a2=0,靜止或勻速運(yùn)動(dòng),上頂板示數(shù)為零，則彈簧變短，,F≥10NF3=0,F–mg=ma3,a3≥10m/s2,向上加速或向下減速，加速度a≥10m/s2。,,,例7、將一個(gè)力電傳感器接到計(jì)算機(jī)上，就可以測(cè)量快速變化的力，用這種方法測(cè)得的某單擺擺動(dòng)時(shí)懸線上拉力F的大小隨時(shí)間t變化的曲線如圖示，某同學(xué)根據(jù)此圖提供的信息做出了以下判斷，其中正確的是()A.擺球擺動(dòng)的周期T=1.4sB.t=0.2s時(shí)，擺球正經(jīng)過最低點(diǎn)C.t=1.1s時(shí)，擺球正經(jīng)過最低點(diǎn)D.擺球在擺動(dòng)過程中機(jī)械能減小,,,BD,,23．(14分)一水平放置的圓盤繞豎直固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在圓盤上沿半徑開有一條寬度為2mm的均勻狹縫.將激光器與傳感器上下對(duì)準(zhǔn),使二者間連線與轉(zhuǎn)軸平行,分別置于圓盤的上下兩側(cè),且可以同步地沿圓盤半徑方向勻速移動(dòng)，激光器連續(xù)向下發(fā)射激光束．在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，當(dāng)狹縫經(jīng)過激光器與傳感器之間時(shí),傳感器接收到一個(gè)激光信號(hào),并將其輸入計(jì)算機(jī),經(jīng)處理后畫出相應(yīng)圖線.圖(a)為該裝置示意圖，圖(b)為所接收的光信號(hào)隨時(shí)間變化的圖線，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示接收到的激光信號(hào)強(qiáng)度，圖中Δt1=1.010-3s，Δt2=0.810-3s．(1)利用圖(b)中的數(shù)據(jù)求1s時(shí)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；(2)說明激光器和傳感器沿半徑移動(dòng)的方向；(3)求圖(b)中第三個(gè)激光信號(hào)的寬度Δt3．,2005年上海卷23.,,,解：,(1)由圖線讀得，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期T＝0.8s①,(2)激光器和探測(cè)器沿半徑由中心向邊緣移動(dòng),理由為：由于脈沖寬度在逐漸變窄，表明光信號(hào)能通過狹縫的時(shí)間逐漸減少，即圓盤上對(duì)應(yīng)探測(cè)器所在位置的線速度逐漸增加，因此激光器和探測(cè)器沿半徑由中心向邊緣移動(dòng)．,題目,上頁,下頁,r3－r2＝r2－r1＝vT④,由④、⑤、⑥式解得：,(3)設(shè)狹縫寬度為d，探測(cè)器接收到第i個(gè)脈沖時(shí)距轉(zhuǎn)軸的距離為ri，第i個(gè)脈沖的寬度為△ti，激光器和探測(cè)器沿半徑的運(yùn)動(dòng)速度為v．,題目,上頁,,