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1、传感器的应用(一、二),传感器应用的一般模式,一.力传感器,金属梁,半导体材料,输出电压差大,【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
2、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。,(1)电路设计,(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。,得 k=U0/m0g,由 U0=km0g,得 m=m0U1/U0,由U1=kmg,(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,二.声传感器,动圈式话筒,线圈振动,周期性变化的感应电流,绝缘支架,电容式话筒,膜片M,电路中形成变化电流,R两端输出与声音规律相同
3、的电压,驻极体话筒,特点体积小重量轻价格便宜灵敏度高,注:电介质在电场中的极化现象。撤去电场后，长期保持被极化状态的材料称之为驻极体。,例2 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,例3 电容式话筒的保真度比动圈式话筒好,其工作原理如图所示,Q是绝缘支架,M是薄金属膜和固
4、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,当膜片向右运动的过程中有（）A 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,A C,例4 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 距离变化 B 正对面积变化 C
5、介质变化 D 电压变化,A,三.温度传感器,电熨斗,问题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,问题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
6、，达到控制在不同温度的目的,例5 如图所示，图甲为热敏电阻 R t 图象，图乙为用此热敏电阻 R 和继电器组成的一个简单恒温箱控制电路，继电器线圈的电阻为 150。当线圈中的电流大于或等于 20 mA时，继电器的衔铁被吸合。为继电器线圈供电的电池电动势=6 V，内阻不计。图中的“电源”是恒温箱加热的电源。(1)应该把恒温箱内的加热器接在 A、B 端还是 C、D 端？(2)如果要使恒温箱内的温度保持 100 0C，可变电阻 R的值应调节为多少？,解答：,(1)A、B 端。,例6 如图甲为在温度为10左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 k，R2=10 k，R3=40 k，
7、Rt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，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_,解答：,设电路两端电压为为U，当 Uab=0 时，有：,解得Rt=20 k,查图乙可知，,当 Rt=20 k时，t=35,冰箱温度控制器,冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盆体膨胀，膜盒3通过小柱体带动弹簧片4，使动触点5与静触点6接触，控制压缩机自动开始工作，而在达到设定的低温时拉簧带动弹簧片4将触点5、6断开，使压缩机停止工作,凸轮逆时针转动会加大连杆9对弹簧7的拉力，该拉力与弹性膜盒3共同控制弹簧片4的运动，故弹簧7上弹力的变化会改变设定的温度,
8、电饭锅,感温铁氧体,例7 有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（）,A.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示 数变化较大，这只元件一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示 数不变化，这只元件一定是定值电阻C.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆 表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆 表示数相同，这只元件一定是定值电阻,AC,例 8 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
9、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()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,A D,测温仪,热电偶,T1 T2,四.光传感器,鼠标器,火灾报警器,解答:,分析：光束原来是连续的，是转动的齿轮使光束变 为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的转动有关，也就与速度和行程有关。,由上可知还需测量的量是：车轮半径R 和 D 轮齿轮数Q,例 10 计算机光驱的主要部件是激光头，它可以发射脉冲激光信
10、号，激光扫描光盘信息时，激光头利用光敏电阻自动计数将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出来相应的信息。光敏电阻的自动计数示意图如图所示，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 当有激光照射 R1 时，处理系统获得高电压 B 当有激光照射 R1 时，处理系统获得低电压 C 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次,A D,测 力,测物体加速度,测物体角速度,测 位 移,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
11、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：,(1)风力大小 F 与的关系式.,(2)风力大小 F 与电流表示数 I 的关系式.,解答：,(1)小球 P 受力如图所示。,根据平衡条件，风力 F=mgtan,(2)设电源电动势为 E，BC 长为 x，根据闭合电路欧姆定律得
12、：,E=I(R0+kl),E=I(R0+kx),由几何关系有：x=htan,所以解得F与I的关系式为:,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。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/mB方向向右，大小为 k S/mC方向向左，大小为 2k S/m D.方向向右，大小为 2k S/m,D,解答：,解答：,设滑动变阻器单位长度的电阻为 r0,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,THE END,
