黑龙江省孙吴县第一中学高考物理 传感器应用课件1.ppt

传感器的应用 一 高二物理备课组 传感器应用的一般模式 一 力电传感器的应用 电子称 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 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 练习 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 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2 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3 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 例题4 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 例5 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 解 设弹簧伸长x 则 kx m 2 l x x m 2l k m 2 设滑动变阻器单位长度的电阻为r1 u irx exr1 lr1 ex l u em 2 k m 2 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 0m 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 10m 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 向上做匀减速运动a向下a 2m s2 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 10nf2 5n 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 f 10nf3 0 f mg ma3 a3 10m s2 向上加速或向下减速 加速度a 10m s2 二 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 三 温度传感器的应用 电熨斗 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 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 本节课主要学习了以下几个问题 1 力传感器的应用 电子秤传感器的应用2 声传感器的应用 话筒3 温度传感器的应用 电熨斗力传感器是把力信号转换成电信号 声传感器是把声音信号转换为电信号 而温度传感器往往是用来进行自动控制 一 力电传感器的应用 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 1 测质量 2 测力 3 测物体加 角 速度 4 测位移 二 声传感器的应用 话筒 声电传感器是指将声音信号转换为电信号的一类传感器 常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器 例题 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 例题 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 介质变化 d 电压变化 a 三 热电传感器 热电传感器是指将温度信号转换成电信号的一类传感器 一般有两类 一类是随温度变化引起传感器中某个组件形状的变化 如热胀冷缩 达到转换信号的目的 还有一类是随温度变化引起电阻的变化 如半导体材料中热敏电阻随温度升高电阻减小 达到转换信号的目的 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 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 电慰斗 双金属片温度传感器的作用 控制电路的通断 p63思考与讨论 电饭锅 1 居里点 2 p66思考与讨论 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 ad 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 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 03年上海高考18 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