传感器的简单应用1.ppt

传感器的简单应用 吕叔湘中学 庞留根 2005年5月 一、传感器的含义 二、传感器的分类 1. 力电传感器 （1）测物体的质量 （2）测物体加速度 （3）测物体角速度 例1. （4）测 力 （5）测 位 移 03年上海理综10. 2. 热电传感器 3. 光电传感器 03年天津理综、 05年盐城二模9. 4. 声电传感器 5. 电容式传感器 例2 6. 电感传感器 实例: 例3 例4 练习1 03年上海高考18 例5 练习2 03年上海理综12 例6 例7 2005年上海卷23 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 非电物理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 E P A S B R0 A P A S B R0 V E P A S B R0 V E （2）测物体加速度 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 E R 滑动触头左右移动过程中，电路 中电流如何变化？ 若车的加速度大小为a，则两弹 簧的形变量是多少？ 求加速度a与输出电压U的关系式 角速度计 （3）测物体角速度 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，当系统以角速度转动时，试写出输出电压 U与的函数式。 A S P CB O O 输出电压U 解：设弹簧伸长x , 则 kx=m2(l+x) x=m2l ( k-m2) 设滑动变阻器单位长度 的电阻为r1 U=IRx=Exr1 l r1= Ex/ l U= Em2(k-m2) 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 D 0 1010 U P 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 1010 U P U0 解：a=2kS/m S=ma/2k U=U0 Rx / R = U0 S / L =maU0 / 2kL =mU0 a / 2kLa （4）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（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，金属丝偏转角时 ，电流表的示数为I/，此时风力大小为F，试写出： R0 O P D C C A 电 源 风力大小F与的关系式； 风力大小F与电流表示数I 的关系式 。 此装置所测定的最大风力是多少？ （5）测 位 移 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 03年上海理综10. 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 A a b E r 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， B .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 P K V A 解：反向截止电压为0.60V， EKm= 0.60 eV W=h- EKm= 2.5-0.6=1.9 eV A 05年盐城二模9. 如图示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中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,信号处理系统获得较高电压 B. 当有光照射R1时,信号处理系统获得较低电压 C. 信号处理系统每获得一次较低电压就记数一次 D.信号处理系统每获得一次较高电压就记数一次 R1 R2 信号处 理系统 B D 4.声电传感器 例题：（2003上海理综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 B 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 甲 角度 由于CS，动片与定片间的角度发生 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 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 乙 h 液面高度h 由于CS，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 F 丙 压力F 由于C1/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 丁x 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。 例2、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 D 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 N S 例3、 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0.4(包括引线电阻)，测试记录下来的电流位 移如图所示。试求： 在离O(原点)30m,130m处列车的速度v1和v2的大小 假设列车是匀变速运动，求列车加速度的大小 i /A 100 50 150 0.15 0.10 0 .05 -0 .05 -0.10 -0.15 S/m 0 S O B 解：I=E/R=nBLv/R v=IR/nBL= 0.4I50.0040.2= 100I 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4、 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 edcb 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1、 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。 ec a b 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。 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0-100） 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=250。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 。 举出一个可以应用热敏电阻的例子：_。 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 2 电压可从0V调到所需电压，调节范围较大 解: I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA 由图1得 UR=5.2V 5.2 R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 111.6112.0 热敏温度计 例5、 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档，用光照射光敏电 阻时表针的偏角为， 现用手掌挡住部分光线，表针 的偏角变为 ，则可判断 ( ) A. = B. D. 不能确定和 的关系 B 练习2、某仪器内部电路如图所示，其中M是一个质 量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制成的弹 簧相连，并套在光滑水平细杆上，a、b、c三块金属 片的间隙很小，（b固定在金属块上）。当金属块处 于平衡时，两根弹簧均处于原长状态，若将该仪器 固定在一辆汽车上，则下列说法正确的是 （ ） A. 当汽车加速前进时，甲灯亮 B.当汽车加速前进时，乙灯亮 C. 当汽车刹车时，乙灯亮 D.当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮 车的前进方向 车 的 后 部 ac b 乙灯 甲灯 M B 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、 A 例6、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， F10N 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。 例7、将一个力电传感器接到计算机上，就可以测 量快速变化的力，用这种方法测得的某单摆摆动时悬 线上拉力F的大小随时间t 变化的曲线如图示，某同学 根据此图提供的信息做出了以下判断，其中正确的是 ( ) A. 摆球摆动的周期T=1.4s B. t=0.2s时，摆球正经过