高中物理第二节：传感器的应用(一)课件人教版必修二.ppt

第二节 传感器的应用 一 复习问题 请大家回忆一下光敏电阻 热敏电阻 霍尔元件各是把什么物理量转化为电学量的元件 光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量 热敏电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量 霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量 传感器应用的一般模式 力电传感器的应用 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 3 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 1 电子秤的测力装置是力传感器 它是由一个金属梁和两个应变片一起组成了测力部分 2 在金属梁没有力的情况下 金属梁处于水平状态 梁的上下应变片的长度没变且相等 两应变片的电阻大小也相等 当给金属梁施加竖直向下的力时 金属梁会向下弯曲 使得金属梁上面的应变片被拉长 电阻变大 两端电压也变大 而下边的应变片被挤压收缩 电阻变小 两端的电压也减小 使得两应变片两端电压值不相等 存在差值 控制电路就通过这个差值 经过放大电路将差值信号放大 再在显示器上显示出数字 即力f的大小 练习1 关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是 a 应变片是由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 abd 例1 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ks mb 方向向右 大小为ks mc 方向向左 大小为2ks md 方向向右 大小为2ks m 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 解 a 2ks m s ma 2k u u0rx r u0s l mau0 2kl mu0a 2kl a 例2 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 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 调节滑动变阻器 使转换器的输出电压为零 将质量为m0的砝码放在转换器上 记下输出电压u0 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 因电源电压不够而输出电压调不到零 待测物体质量超出转换器量程 声传感器的应用 话筒 1 话筒的作用是什么 2 说明动圈式话筒的工作原理和工作过程 阅读教材并思考 声音信号转化为电信号 膜片接收到声波后引起振动 连接在膜片上的线圈随着一起振动 线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流 电信号 感应电流的大小和方向都变化 振幅和频率的变化都由声波决定 这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器 从扬声器中就发出放大的声音 3 说明电容式话筒的工作原理和工作过程 这种话筒的优点是什么 4 驻极体话筒的工作原理是什么 有何优点 利用电容器充放电形成的充放电电流 薄金属膜m和固定电极n形成一个电容器 被直流电源充电 当声波使膜片振动时 电容发生变化 电路中形成变化的电流 于是电阻r两端就输出了与声音变化规律相同的电压 优点 保真度好 驻极体话筒的原理同电容式话筒 只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜 优点 体积小 重量轻 价格便宜 灵敏度高 工作电压低 演示实验 按照如图所示的连接驻极体话筒的工作电路 话筒的输出端经过隔直电容接到示波器 对着话筒喊话 观察示波器的荧光屏上的波形 再用另外一人同样对话筒喊话 比较两次声音产生的波形有什么不一样 温度传感器的应用 电熨斗 温控开关 取一个报废的日光灯启辉器 去掉外壳 敲碎氖泡的玻璃 可以看到一个u型的双金属片 双金属片的旁边有一根直立的金属丝 两者构成一对触点 常温下触点是分离的 用火焰靠近金属片 可以看到双金属片的形状变化 与金属丝接触 熄灭火焰 双金属片逐渐恢复原状 两个触点分离 把这个启动器用到温控开关 可以控制小灯泡的亮和灭 思考与讨论 1 常温下 上 下触点应是接触的还是分离的 当温度过高时 双金属片将怎样起作用 常温下 上 下触点应是接触的 但温度过高时 由于双金属片受热膨胀系数不同 上部金属膨胀大 下部金属膨胀小 则双金属片向下弯曲 使触点分离 从而切断电源 停止加热 温度降低后 双金属片恢复原状 重新接通电路加热 这样循环进行 起到自动控制温度的作用 2 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度 这是如何使用调温旋钮来实现的 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度 此时可通过调温旋钮调节升降螺丝 升降螺丝带动弹性钢片升降 从而改变触点接触的难易 达到控制在不同温度的目的 温度传感器的另一应用 电冰箱的温控装置 如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构 铜质的测温泡1 细管2和弹性金属膜盒3连成密封的系统 里面充有氯甲烷盒它的蒸汽 构成一个温度传感器 膜盒3为扁圆形 右表面固定 左表面通过小柱体与弹簧片4连接 盒中气体的压强增大时 盒体就会膨胀 测温泡1安装在冰箱的冷藏室中 5 6分别是电路的动触点盒静触点 控制制冷压缩机的工作 拉簧7的两端分别连接到弹簧片4盒连杆9上 连杆9的下端是装在机箱上的轴 凸轮8是由设定温度的旋钮控制的 逆时针旋转时凸轮连杆上端右移 从而加大对弹簧7的拉力 电冰箱温控装置的工作原理是什么 自动控温原理 如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构 铜制的测温泡1 细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统 里面充有氯甲烷和它的蒸汽 构成了一个温度传感器 膜盒为扁圆形 右表面固定 左表面通过小柱体与弹簧片4连接 盒中气体的压强增大时 盒体就会膨胀 测温泡1安装在冰箱的冷藏室中 5 6分别是电路的动触点和静触点 控制制冷压缩机的工作 拉簧7的两端分别连接到弹簧片和连杆9上 连杆9的下端装在机箱上的轴 凸轮8是由设定温度的旋钮控制的 逆时针旋转时凸轮连杆上端右移 从而加大对弹簧7的拉力 当冷藏室里的温度升高时 1 2 3中的氯甲烷受热膨胀 弹性金属膜盒3的左端膨胀 推动弹簧片4向左转动 使5 6接触 控制的压缩机电路开始工作制冷 当温度下降到一定程度 氯甲烷受冷收缩 5 6又分开 制冷结束 直到下次温度升高再重复上述过程 温度设定原理 将凸轮8逆时针旋转 凸轮将连杆9向右顶 使得弹簧7弹力增大 此时要将5 6触点接通 所