高三物理传感器的应用实例.ppt

传感器的应用 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。 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。 力电转换器 输出输入 受压面 (1) 设计电路如图 (2) 测量步骤与结果:调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为 零,将砝码放在转换器上,记下输出电压U0,将待测物放在转换器 上,记下输出电压U 由U0=km0g,得k=U0/m0g U=k m g,所以 m=m0U/U0 例题2：（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： 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？ R0 O P D B C A 电 源 例3(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。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 0 1010 U P 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。 0 1010 U P U0 解：a=2kS/m S=ma/2k U=U0 Rx / R = U0 S / L =maU0 / 2kL =mU0 a / 2kLa 例题4：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。 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 敏感 元件 输出 信号 E R 例题5：（2003上海考题）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 例6: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 x= m 2 l ( k-m 2 ) 设滑动变阻器单位长度 的电阻为r1 U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l U= Em 2 (k-m 2) 例7：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 F=10N F1 =6N mg a 向上做匀减速运 动a向下a=2m/s2 mg+F1-F=ma m=0.5kg F mg F2 a2 上顶板示数是下 底板示数的1/2 弹簧长度不变 F=10N F2=5N mg+F2-F=ma2 a2=0 静止或匀速运动 F mg a3 上顶板示数为零，则弹 簧变短F10N F3=0 F mg = ma3 a3 10m/s2 向上加速或向下减速， 加速度a 10m/s2。 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1.（2003上海试题）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2.日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能 器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？ U形动动触片 静触片 氖氖 泡 图1 解析：日光灯启动器结构如图所示 ，内有一双金属片，热膨胀系数不 同。开关闭合后，启动器两极之间 有电压使氖气放电而发出辉光，辉 光发出的热量使U形动触片受热膨胀 向外延伸，碰到静触片接触，电路 接通；温度降低时，U动触片向里收 缩，离开触点，切断电路。 例3.电熨斗：利用双金属片温度传感器控制电路的通断. 例4.电饭锅：利用感温磁体的特点 例题5：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 D 例6.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 t/ R t2t1 AD 例7.右图是一个温度传感器的原理示意图,Rt是一个热敏电阻器。 试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的。 思考方向：1、两电阻采取什么连接方 式？ 2、转变的电信号应该是哪个电学量？ 3、电压表测的是哪个电阻的电压？ V RtR 温度升高或降低导致Rt阻值发生变化，使电路中电流也发生 变化，导致R上的电压也发生改变，因此电压表读数将会发生变 化，从而就将温度的化转变为电信号。 例8. 在家用电热灭蚊器中，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，其电阻率随温 度t的变化关系如图所示，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（ ） 通电后，其电功率先增大，后减小 通电后，其电功率先减 小，后增大 当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持 在t1不变 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 A B C D D 例9. 如图632是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭 合后，当此开关温度达到居里点（103）时，会自动断开S2是一 个自动控控温开关，当温度低于70时，会自动闭合；温度高于 80时会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示 灯，分流电阻R1R2500，加热电阻丝R350，两灯电阻不计 (1)分析电饭煲的工作原理 (2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消 耗的电功率之比 (3)简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭 煮熟吗？ （1）电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1 ，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80，S2 自动断开，S1仍闭合；水烧开后，温度升高到103时，开关S1自动 断开，这时饭已经煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态由于散热 ，待温度将至70时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到 80时，S2又自动断开，再次处于保温状态（2）加热时电饭煲消 耗的电功率P1U2/R并，保温时电饭煲消耗的功率P2 两式中 从而有 （1 (3)如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功率 为P1，当温度上升到80时，S2自动断开，功率降为P2，温度降到 70，S2自动闭合温度只能在7080之间变化，不能把 水烧开，不能煮熟饭 例10.图3-2-4a是某同学研究热敏电阻阻值随温度的变化规律时设计 的电路图 （1）根据电路图，在图3-2-4b的实物上连线（2）通过 实验，他得到了该热敏电阻的伏安特性曲线如图3-2-5a所示，由图 可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而 （3）他将这个热 敏电阻接入图3-2-5b所示的电路中，已知电源电压为9V，R1=300 ，毫安表读数为60mA，则R2的阻值为 图3-2-4a Rx A S V VA 图3-2-4b I/mA U/V 1 50 0 a 10 20 30 40 A R1 R2 热敏电阻 b R 9V 2 3 4 5 6 图3-2-5 例11.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 5.2111.6112.0 热敏温度计 例12.如图所示甲为在温度为10左右的环境中工作的自动恒温箱简 图，箱内电阻R120k，R210k，R340 k，R1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 ，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温 度提高；当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。 解析：设电路路端电压为U，当Uab0时 ，有UR1（R1 R2）UR3（R3 Rt ） 解得Rt20k 由图乙可知，当Rt20k时，t 35 35 例13. 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 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1.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 例2.如图是天花板上装的火灾报警器，平时，发光二极管 LED发出的光被挡板挡住，光电三极管收不到光，呈现高 电阻状态；当有烟雾进入罩内后，对光线向各个方向散射 ，使部分光线照射到光电三极管上，其阻值变小，与传感 器连接的电路检测到这种变化，就会发出警报 例3.（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 例4.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 A A 例5.如图图所示为为光敏电电阻自动计动计 数器的示意图图，其中A是发发光仪仪器 ，B是传传送带带上物品，R1为为光敏电电阻，R2为为定值电值电 阻，此光电计电计 数器的基本工作原理是（ ） （A）当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压 （B）当有光照射R1时，信号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记数一 次 （D）信号处理系统每获得一次高电压就记数一次 A R1 R2 信 号 处处 理 系 统统 AD 例6.如图633所示为实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的 示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在小车上，C为 小车的车轮车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙 后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电路记录和显示 若实验显示单位时间的脉冲数n，累积脉冲数为N，则要测出小车 的速度和行程还必须测量的物理数据车轮的半径R和齿轮的齿数P： ；小车速度的表达式为V；行程的表达式为s 2Rn/P 2RN/P 例7.一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一 条宽度为2mm的均匀狭缝将激光器与传感器上下对准，使二者间 连线与转轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，且可以同步的沿圆盘 半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束在圆盘转动过程 中，当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信 号，并将其输入计算机，经处理后画出相应的图线图（a）为该 装置示意图，图（b）为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐 标表示时间，纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中 (1)利用图（b）中的数据求1s时圆盘转动的角速度 (2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向 (3)求图（b）中第三个激光信号的宽度t3 激光器 传感器 计算机 图（a ） I 0 0.21.0 1.8ts t3t1t2 图（b ） 图8 例8.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 220V 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。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。 4.声电传感器 例题1.（2003上海试题）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2.动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象,图6-2-3甲所式 是话筒原理,图6-2-3乙所式是录音机的录音、放音原理图,由图可知: 话筒工作时录音磁铁不动,线圈振动而产生感应电流. 录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流 录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 其中正确的是:( ) A B C D C 电容传感器 ：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。 例1.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 例2.图甲是测量 的电容式传感器，原理是由于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 定片 角度 图乙是测量 的电容式传感器，原理是由于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。 液面高度h 金属芯线 电介质 导电液体 h 图丙是测量 的电容式传感器，原理是由于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。