电磁继电器滑动变阻器.ppt

第三单元传感器的原理及应用 1 概念 能够感受外界信息 并将其按照一定的规律转换成电信号的器件或装置 叫传感器 2 组成 一般由敏感元件 转换器件 转换电路三个部分组成 3 原理 通过对某一物理量敏感的元件 将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量 例如 光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号 热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号 4 流程 5 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法 常用的分类方法有两个 1 按输入量分类 如输入量分别为等非电学量时 相应的传感器称为温度传感器 压力传感器 位移传感器 速度传感器 加速度传感器 这种分类方法给使用者提供了方便 容易根据测量对象选择需要的传感器 温度 压力 位移 速度 加速度 2 按传感器的工作原理分类 可分为电阻传感器 等 电容传感器 电感传感器 霍尔传感器 光电传感器 光栅传感器z 6 传感器的元件 制作传感器时经常使用的元件有 霍尔元件等 1 热敏电阻是由半导体材料制成的 常态时其阻值约为10k 其电阻率随温度的变化而迅速变化 温度升高时 其电阻率显著减小 光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻 2 光敏电阻也是由半导体材料制成的 其电阻率在光照射下显著减小 在没有光照射下其阻值可以达到几十兆欧 在一般室内光照射下 电阻可以降至几千欧 利用多用电表的欧姆挡测量不同温度下热敏电阻的阻值以及不同光照条件下光敏电阻的阻值 就可以了解热敏电阻随温度以及光敏电阻随光照的变化规律 3 有些金属的电阻率随温度的升高而增加 利用这个特点也可以制成温度传感器 热敏电阻和金属热电阻都可以把温度这个热学量转化为电学量 电阻 相比之下热敏电阻的灵敏度较好 4 霍尔元件能够把磁感应强度转换为电压 当电流一定时 霍尔电压UH与磁感应强度B成 正比 1 组成 由金属架和应变片组成 2 工作原理 如图1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 应变片的阻值变化就越大 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 应变片能够把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量 1 话筒的作用是将声信号转换为电信号 常见的有 动圈式话筒 电容式话筒和驻极体话筒 2 动圈式话筒的工作原理 它是利用电磁感应现象制成的 当声波使金属膜片振动时 连接在膜片上的线圈在永磁铁磁场里振动 产生感应电流 其大小和方向都变化 振幅和频率的变化由声波决定 这个信号电流经扩音器扩大后传给扬声器放出 3 电容式话筒的工作原理 声波使电容器膜片振动时 电容发生变化 电路中电流变化 于是输出端就输出了与声音变化规律相同的电压 4 驻极体话筒的工作原理 同电容式话筒 只是内部有感受声波的驻极体塑料薄膜 1 温度传感器是由半导体材料制成的 热敏电阻和金属热电阻均可制成 它是把热信号转换为电信号而进行自动控制的 2 电熨斗 电熨斗能自动控制温度 靠的是装有双金属片的温度传感器 这种传感器的作用是控制电路的通断 1 原理 温度传感器可以把温度转换为电信号 由指针仪表或数字式仪表显示出来 把非电学量转变为电学量 2 优点 由于电信号可以由测温点传输到其他地点 所以温度传感器可以远距离读取温度的数值 3 种类 常见的测温仪的测温元件可以是热敏电阻 金属热电阻 热电偶等 还可以是红外线敏感元件等 1 机械式鼠标器内的码盘两侧分别装有红外发射管 LED 及红外接收管 两个红外接收管就是两个光传感器 2 有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的 其带孔的罩子内装有发光二极管LED 光电三极管和不透明的挡板 平时光电三极管收不到LED发出的光 呈现高电阻状态 烟雾进入罩内后对光有散射作用 使部分光线照射到光电三极管上 其电阻变小 与传感器连接的电路检测出这种变化 就会发出警报 如图2所示 1 角度的电容式传感器 原理是当旋转动片时 电容器两个彼此绝缘的金属板的正对面积发生变化 从而引起电容发生变化 如图3甲所示 2 液体的电容式传感器 原理是导电液体相当于电容器的一个极板 当液体的深度发生变化时 相当于两个极板的正对面积发生变化 从而电容发生变化 如图乙所示 3 位移的电容式传感器 原理是当电解质板插入两金属极板间不同的距离时 随着电解质板位移的变化 电容随之变化 如图丙所示 4 压力的电容式传感器 原理是当作用在一个电极上的压力改变时 金属片的形状发生变化 两金属板的距离发生变化 电容随之改变 如图丁所示 根据压力的变化 判断传感器的工作原理 例1 如图4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 以下说法正确的是 若F向上压膜片电极 电路中有从a到b的电流 若F向上压膜片电极 电路中有从b到a的电流 若F向上压膜片电极 电路中不会出现电流 若电流表有示数 则说明压力F发生变化 若电流表有示数 则说明压力F不发生变化A B C D 图5 答案 A 变式1 用如图6所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度 该装置是在矩形箱子的前 后壁上各安装一个由力敏电阻组合成的压力传感器 用两根相同的轻弹簧夹着一质量为2 0kg的滑块 滑块可无摩擦滑动 两弹簧的另一端分别压在传感器a b上 其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出 现将装置沿运动方向固定在汽车上 传感器b在前 传感器a在后 汽车静止时 传感器a b的示数均为10N g取10m s2 1 若传感器a的示数为14N b的示数为6 0N 求此时汽车的加速度大小和方向 2 当汽车以怎样的加速度运动时 传感器a的示数为零 解析 传感器上所显示出力的大小 即弹簧对传感器的压力 据牛顿第三定律知 此即为弹簧上的弹力大小 亦即该弹簧对滑块的弹力大小 答案 1 4m s2向右 2 10m s2向左 高中阶段所进行的自动控制电路设计 一般是用光敏电阻 热敏电阻等原件通过继电器实现自动控制 设计电路时 应注意继电器的联接 是利用常开触头还是常闭触头 控制电路与工作电路分开设计 各自形成不同的回路 例2 现有热敏电阻 电炉丝 电源 电磁继电器 滑动变阻器 开关和导线若干 如图8所示 试设计一个温控电路 要求温度低于某一温度时 电炉丝自动通电供热 超过某一温度时 又可以自动断电 画出电路图说明工作过程 解析 热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路 答案 电路图如图9所示 工作过程 闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值增大 通过电磁继电器的电流不能使它工作 K接通电炉丝加热 当温度达到设计值时 热敏电阻减小到某值 通过电磁继电器的电流达到工作电流 K断开 电炉丝断电 停止供热 当温度低于设计值 又重复前述过程 变式2 某学生为了测量一物体的质量 找到了一个力电转换器 让转换器的输出电压正比于受压面的压力 比例系数为k 如图10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零 然后在其受压面上放一物体 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 干电池各一个 开关及导线若干 待测物体 可置于力电转换器的受压面上 1 设计一个电路 要求力电转换器的输入电压可调 并且使电压的调节范围尽可能大 在下面的虚线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 请设想实验中可能出现的一些问题 解析 1 设计的电路如图11所示 根据热敏电阻 光敏电阻的特性来判断自动传感器的工作原理 例3 用热敏电阻作为传感器 设计一个简单的自动控制装置 可供选择的器材如下 热敏电阻 小灯泡 或门铃 电池组 继电器 滑动变阻器 开关 导线等 要求 温度高时 灯泡亮或门铃报警 请选出需要的器材 画出原理图 并作简要说明 解析 假设用热敏电阻来控制一个小灯泡的发光和熄灭 电池组的输出电压如果等于继电器的工作电压 但是高于小灯泡的额定电压 可以用一个滑动变器和小灯泡串联来调节 其工作原理如图12所示 这样可以共用一个电池组 所选取的器材有电磁继电器 热敏电阻 开关 电池组 滑动变阻器 小灯泡和连接导线等 其工作过程是 闭合开关S 把继电器 热敏电阻和电池组接通 由于热敏电阻的温度较低 它的阻值较大 使通过继器的电流较小 不足以把铁片吸下来 所以小灯泡中没有电流通过 是熄灭的 当热敏电阻的温度升高到某一特定值后 它的阻值迅速减小 使通过继电器的电流迅速增大 电磁铁产生较强的磁场将铁片吸下来与触点P连接 将小灯泡与电池组接通 小灯泡发光 当热敏电阻的温度降到某特定温度以下时 它的电阻值迅速增大 使通过继电器的电流减小 铁片被弹簧拉动而离开触点P 小灯泡熄灭 这样 由热敏电阻的温度变化可引起继电器回路的电流变化 从而达到控制小灯泡亮 灭的目的 答案 见解析 高分通道热敏电阻 光敏电阻一般是用半导体材料做成的 热敏电阻的电阻随温度的升高而减小 光敏电阻的电阻有光照时电阻减小 变式3 如右图13所示 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 再将电表的两支笔分别与光敏电阻Rt的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中间 若用不透光的黑纸将Rt包裹起来 表针将向 填 左 或 右 转动 若用手电筒光照射Rt 表针将向 填 左 或 右 转动 解析 光敏电阻受光照越强 电阻越小 电流越大 所以将Rt包裹起来电阻增大 电流减小指针向左偏 反之向右偏 答案 左右 1 关于传感器的下列说法正确的是 A 所有传感器的材料都是由半导体材料做成的B 金属材料也可以制成传感器C 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D 以上说法都不正确 解析 半导体材料可以制成传感器 其他材料也可以制成传感器 如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计 所以A错 B正确 传感器不但能感知电压的变化 还能感受力 温度 光 声 化学成分等非电学量 所以C错 答案 B 2 唱卡拉OK用的话筒内有传感器 其中有一种是用动圈式的 它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小线圈 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 解析 当声波使膜片前后振动时 膜片后的金属线圈就跟着振动 从而使处于永磁体的磁场中的线圈切割磁感线 穿过线圈的磁通量发生改变 产生感应电流 从而将声音信号转变为电信号 可见这是利用电磁感应原理 故B正确 答案 B 3 在一些星级宾馆的洗手间经常装有自动干手机 洗手后将湿手靠近 机内的传感器就开通电热器加热 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 改变湿度B 改变温度C 改变磁场D 改变电容 解析 根据自动干手机工作的特征 手靠近电热器工作 手撤离电热器停止工作 人是一种导体 可以与其他导体构成电容 手靠近时相当于连接一个电容 可以确定干手机内设有电容式传感器 由于手的靠近改变了电容 用湿度和温度来驱动电热器工作 理论上可行 但是假如干手机是由于湿度 温度的变化而工作就成了室内烘干机 故D正确 答案 D 4 半导体中参与导体的电流载体称为载流子 N型半导体的载流子是带负电的电子 P型半导体的载流子是带正电的 空穴 一块厚度为d 高度为l的长方形半导体样品 置于方向如图14所示 磁感应强度大小为B的匀强磁场中 当半导体样品中通以如图所示方向 大小为I的恒定电流时 样品上 下底面出现恒定电势差U 且上表面带正电 下表面带负电 设半导体样品中每个载流子带电荷量为q 半导体样品中载流子的密度 单位体积内载流子的个数 用n表示 则下列关于样品材料类型的判断和其中载流子密度n的大小 正确的是 答案 BD 5 如图15所示 R1 R2为定值电阻 L为小灯泡 R3为光敏电阻 当照射光强度增大时 A 电压表的示数增大B R2中电流减小C 小灯泡的功率增大D 电路的路端电压增大 解析 当光强度增大时 R3阻值减小 外电路电阻随R3的减小而减小 R1两端电压因干路电流增大而增大 同时内电压增大 故电路路端电压减小 而电压表的示数增大 A项正确 D项错误 由路端电压减小而R1两端