传感器的应用

第2节传感器的应用(一)要点一力传感器的工作原理1．如图6－2－2所示是一种由金属梁和应变片组成的力传感器．应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成．这种应变片能把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大．图6－2－2压力的大小转变为电压的大小输出的方法：如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片的两端的电压变小．传感器把这两个电压的差值输出．外力越大，输出的电压差值也就越大．2．分析图6－2－3中力学传感器的原理：当汽车对托盘的压力即汽车的重力发生变化时，电路中滑动变阻器的阻值随之变化，当重力增加时，滑动变阻器接入电路部分的电阻阻值减小，电路电流增加．图6－2－3要点二话筒的工作原理1．电容式话筒工作原理：电容式话筒的保真度好．如图6－2－4所示，Q是绝缘支架，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．图6－2－42．动圈式话筒的工作原理：如图6－2－5所示，动圈式话筒组成部分由磁铁、音圈、金属膜片组成，音圈和金属膜片相连，当声波使金属膜片振动时，连接在金属膜片上的音圈随着膜片一起振动，音圈在磁铁的磁场中振动，其中就产生了感应电流，把声音信号转换成电流信号．图6－2－5要点三温度传感器的应用1．双金属片的应用：在温度传感器中，有一种双金属传感器，它把两种不同热膨胀系数的金属片贴合在一起，制成一条双金属片，温度变化时，因为两种金属片伸长不一样而发生弯曲，使电路的开关闭合或断开．在日光灯启动器和电熨斗中都有这种双金属传感器．2．电熨斗的工作原理：如图6－2－6所示，这是一个电熨斗的内部图，熨烫衣物时需要一定的温度．图6－2－6(1)电熨斗通过电热丝对电熨斗的金属底板进行加热的，两根导线分别接在开关两端．(2)电熨斗内部装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断，如图所示．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，双金属片恢复其原来状态，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．(3)可以通过调温旋钮来调节升降螺丝的升降来实现不同温度的设定．若需要熨烫的温度较低，则应使升降螺丝上升.生产、生活中还有哪些常用的传感器？工作原理是什么？1．压力传感器全自动洗衣机的水位控制装置中使用了压力传感器．图6－2－7(a)中1和2分别是洗衣机的外筒和内筒，3是气室，4是传感器的膜盒．气室下部与外筒连通，上部与软管、传感器的膜盒连通．向内筒中注水时，水通过内筒壁上的小孔流入外筒，部分水进入气室，气室内被密封的空气压强增大，使传感器的膜片向上凸起如图6－2－7(b)．当筒中水位到达设定的高度时，凸起的膜片使动触点a与静触点b脱离，并与静触点c接触，从而接通控制电路，关闭进水电磁阀门，接通洗涤电动机电源，开始洗涤衣物．图6－2－72．涡流式电感传感器利用涡流效应可改变电感线圈电感的原理，可以测定动态压强．如图6－2－8所示，一个空心线圈L由高频电源供电，在线圈的一端置有一块用非铁磁性材料制成的导电金属膜片，膜面与线圈的轴线相垂直．图6－2－8当高频电流输入电感线圈L时，线圈便产生变化的磁场．在变化磁场的作用下，靠近线圈的金属膜片感应出与线圈轴线同心的涡流，而涡流又产生一个磁场，使通过线圈的磁通量发生变化，这也是一种互感作用．由图可知，在被测压强p作用下，金属膜片将沿着线圈的轴线移动，膜片靠近线圈越近，互感越大；反之，则越小．因此，金属膜片在被测压强作用下发生位移时，电感线圈的等效电感与被测压强之间存在确定的函数关系．可以证明，当金属膜片受被测压强的作用移近线圈L时，互感增强将导致线圈的等效电感减小．若用电学方法测出等效电感的变化，即可得知被测压强p.3．电容传感器有一种指纹识别器是通过电容传感器来识别指纹的．该传感器表面集合了300×300个电容器极板，其外面是绝缘表面．当用户的手指放在绝缘表面上时，皮肤就组成了电容阵列极板的另一面．由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，使电容阵列中不同位置的电容器的电容值也不相同．通过读取这些电容的差异，就能够获取指纹信息．这样，就把指纹的信息转化成了电信号，再经过电路对电信号的比较，就可以实现对指纹的识别.一、传感器的结构和应用模式【例1】传感器是一种采集信息的重要器件，图6－2－9如图6－2－9所示的是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片的电极上时，以下说法中正确的是()①若F向上压膜片电极，电路中有从a到b的电流②若F向上压膜片电极，电路中有从b到a的电流③若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流④若电流表有示数，则说明压力F发生变化⑤若电流表有示数，则说明压力F不发生变化A．②④B．①④C．③⑤D．①⑤解析当F向上压膜片电极时，板间距离减小，电容器的电容将增大．当F变化时，电容变化，而板间电压不变，由Q＝CU，故带电荷量Q发生变化，电容器将发生充、放电现象，回路中有电流，电流计有示数．反之，电流计有示数时，压力F必发生变化．答案A二、温度传感器的应用【例2】自己设计一个以热敏电阻为传感器的简易自动报警器，当温度过高时，小灯泡亮或响铃报警．所用的实验器材可能有电磁继电器、电铃、小灯泡、热敏电阻、干电池、滑动变阻器、开关．答案实验电路如下图所示．当温度升高时，热敏电阻的阻值减小，通过电磁继电器螺线管的电流增大，磁性增强，吸下金属片，触点接通，灯泡亮或电铃响，起到报警作用．通过调节滑动变阻器的阻值，可以达到调节报警温度的目的.1.电子秤中常用的一种力传感器是由金属梁和________制成．________是一种敏感元件，多用________材料制成．答案应变片应变片半导体2．话筒是一种常用的________传感器，其作用是将________信号转换为________信号．答案声声电3．动圈式话筒是利用________原理将__________信号转换为________信号的．答案电磁感应声电4．驻极体话筒由内部的驻极体________感受声波，其工作电压为________V.答案塑料薄膜3～65．电熨斗装有________________传感器，其作用是____________________．答案双金属片温度控制电路的通断6．温度传感器的核心元件是________，它具有将________转化为________的性质．答案热敏电阻温度电阻题型①热敏电阻的应用在家用电热灭蚊器中，图1电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图1所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能．对此，以下判断正确的是()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．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1不变D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1和t2之间的某一值不变答案AD解析当电热灭蚊器温度由0升到t1的过程中，电阻器的电阻率ρ随温度升高而减小，其电阻R随之减小，由于加在灭蚊器上的电压U保持不变，灭蚊器的热功率P随之增大，当t＝t1时，P＝P1达到最大．当温度由t1升高到t2的过程中，ρ增大，R增大，P减小；而温度越高，其与外界环境温度的差别也就越大，高于环境温度的电热灭蚊器的散热功率P′也就越大；因此在这之间的某一温度t3会有P＝P3＝P′，即电热功率P减小到等于散热功率P′时，即达到保温；当t<t3，P>P′，使温度自动升高到t3；当t>t3，P<P′，使温度自动降为t3，实现自动保温．所以正确答案为A、D.拓展探究图2一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图2中实线①所示，由于环境温度以及熨烫的衣服厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3，被称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点．PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示．根据图线分析：(1)为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普遍电熨斗升温快？(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在______＜t＜______范围之内．答案(1)见解析(2)T6T7解析(1)由于冷态时PTC材料电阻很小，故由P＝eq\f(U2,R)知，其发热功率很大，所以升温很快．(2)在T6～T7之间，电熨斗放出的热量和产生的热量才有可能相等，达到热平衡状态，所以电熨斗温度t自动地稳定在T6＜t＜T7范围之内．题型②力传感器的应用——电子秤如图3所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动，弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连，若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：图3(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1离A的距离x1.(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1离A的距离x2.(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．答案(1)eq\f(m0g,k)(2)eq\f((m＋m0)g,k)(3)m＝eq\f(kL,gE)U解析托盘的移动带动P1移动，使P1、P2间出现电势差，电势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于R为均匀的滑线电阻，则其阻值与长度成正比．(1)由力的平衡知识知：m0g＝kx解得x1＝eq\f(m0g,k)(2)放上重物重新平衡后m0g＋mg＝kx解得x2＝eq\f((m＋m0)g,k)(3)由闭合电路欧姆定律知E＝IR由部分电路欧姆定律：U＝IR串由eq\f(R串,R)＝eq\f(x,L)其中x为P1、P2间的距离，则x＝x2－x1＝eq\f(mg,k)联立解得m＝eq\f(kL,gE)U1.电子秤使用的是()A．超声波传感器B．温度传感器C．压力传感器D．红外线传感器答案C2．下列器件不是应用温度传感器的是()A．电熨斗B．话筒C．电饭锅D．测温仪答案B3．下列器件是应用光传感器的是()A．鼠标器B．火灾报警器C．测温仪D．电子秤答案AB4．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答案BD解析应变片多用半导体材料制成，故选项A错，B对，传感器输出的是上、下两应变片上的电压差，并且随着外力的增大，输出的电压差值也就越大，故C错，D对．5．电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图4所示．Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电流充电．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．当膜片向右运动的过程中，有()图4A．电容变大B．电容变小C．导线AB中有向左的电流D．导线AB中有向右的电流答案AC解析由电容器的电容公式C＝eq\f(εS,4πkd)可知，当膜片向右运动时，相当于电容器两极间的距离变小，电容变大，电源对电容器充电，电流的方向由电源的正极流向负极，故导线AB中有向左的电流．图56．如图5中电容式话筒右侧固定不动的金属板b，与能在声波驱动下沿声源水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b分别通过导线与恒定电源两极相接．声源S做位移为x＝Asin2000πt的振动，则有()A．a振动过程中a、b板之间的电场强度不变B．a振动过程中话筒会产生电磁波C．导线中的电流的频率为1000HzD．a向右位移最大时，a、b板形成的电容最大答案BCD解析a振动过程中，a、b间距变化，由平行板电容器公式可知电容C变化，且a向右位移最大时，a、b板电容最大，则A错，D对．A板做简谐运动，两板间场强不是均匀变化的，而是周期性变化的，故话筒会产生电磁波，B正确．振动过程中，电容器不断地充、放电，导线中电流频率与a的振动频率一致，C正确．7．如图6所示图6为一种自动跳闸的闸刀开关，O是转动轴，A是绝缘手柄，C是闸刀卡口，M、N接电源线，闸刀处于垂直纸面向里、B＝1T的匀强磁场中，CO间距离为10cm，当磁场力为N时，闸刀开关会自动跳开．则要使闸刀开关能跳开，CO中通过的电流的大小和方向为(A.电流方向C→OB.电流方向O→CC.电流大小为1AD.电流大小为0.5A答案BC，由B＝eq\f(F,IL)得I＝eq\f(F,BL)＝2A．→C，由B＝eq\f(F,IL)得I＝eq\f(F,BL)＝2A.8．要完成下列工作，你认为要用什么传感器？(1)电子秤称量物体的重力．(2)恒温孵化器要保持禽蛋的温度在一定范围内．(3)楼道自动开关的功能是：晚上，有人经过楼道，开关自动接通；白天，不管是否有人经过楼道，开关都是断开的．答案(1)力传感器(2)温度传感器(3)声传感器和光传感器9．图7是图7某同学在科技制作活动中自制的电子秤原理图，利用电压表(内电阻很大)的示数来指示物体的质量，托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计.滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表的示数为零．设变阻器的总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻为R0，弹簧的劲度系数为k.若不计一切摩擦和其他阻力(1)求出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式为．(2)由(1)的计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于制作刻度．为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在上图的基础上完成改进后的电路原理图，并得出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式．答案(1)eq\f(mgER,kL(R0＋r)