高三实验复习传感器的应用.ppt

高三实验复习传感器的应用,一、实验目的1、了解传感器的工作原理2、能够进行简单的应用3、能处理涉及三种类型传感器（光电传感器、热电传感器、电容式传感器）问题二、实验原理传感器是把非电物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、声强、光照等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电阻、电容等）的一种组件.如图所示.非电物理量传感器电学量其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定的规律转换成便于利用的信号,（1）光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号。它是利用光敏电阻的阻值会随光照强度的变化而变化的原理制成的；如果是光电管，它是利用在光照的条件下，电子能逸出物体表面的现象制成的.光电传感器在实际中有广泛的应用，例如：路灯的控制、光电计数器、烘手机、遥控器、烟雾报警器、磁带的自动控制都是利用光电传感器工作的。（2）热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号.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.热电传感器在实际中有广泛的应用.例如：各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机）的温度控制、耳温机.电路中的无结点保护（当电源发生异常时切断电源，电源正常后又自动恢复），都是利用热电传感器工作的.（3）电容式传感器把角度、深度、压力、位移等信号转换成电容.,三、总结本实验所用的器材.铁架台、温度计、烧杯、热敏电阻、光敏电阻、冷水、热水、多用电表、小灯泡、学生电源、导线、开关、电铃或报警器、光电计数器、滑动变阻器,四、实验过程1.研究热敏电阻的热敏特性.(1)按图所示连接好电路，多用电表选择开关置于“R100档”.(2)将热敏电阻放入有少量冷水并插有温度计的烧杯中，记下温度计的示数和热敏电阻的阻值.,(3)将热水分几次注入烧杯中，记下在不同温度下，热敏电阻的阻值.(4)实验结论不着:热敏电阻的阻值随着温度的升高而_（减小）,3.光电计数实验（1）将光电传感器、小灯泡、计数器、学生电源按下图所示电路连接好.,(2)接通电源,使小灯泡发光,照射到光电传感器上.(3)拿一厚纸板插入光源与光电传感器之间,每插入一次,计数器就记下一次,即计数器开始计数.,4.温度自动报警实验(1)按图所示将电铃、继电器、电源、开关、滑动变阻器、热敏电阻连成电路.(2)合上电键S，由于热敏电阻的阻值较大，左侧电路中电流较小，电磁铁磁,性较弱吸不住衔铁，电铃不响.把烧杯中加入热水，热敏电阻的阻值减小，左侧电路中电流较强，电磁铁磁性增强，吸引衔铁，电铃电路接通，电铃发声.,5、电容器在传感技术中的应用电容器，在无线电中的应用是人们所熟知的.此外，人们还利用电容器的电容随参数变化而改变的特性，将电容器作为敏感元件，制成电容式传感器，用于生产和生活中许多非电变化量的自动检测，这也是电容器众多应用领域中的一个重要方面.电容式传感器的测量过程是信息的被采集与转换过程.通过敏感元件和配用电路的操作，可以将被测量转换成易于处理和显示的电信号，从引起电容变化的参量来划分，电容式传感器有三种基本类型：（1）变间隙式；（2）变面积式；（3）变介电常数式.,五、例题分析,例1.某学生为测量一物体的质量,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，电键及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)请完成对该物体质量的测量(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，在方框中画出未完成的测量电路图,(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,答案：（1）对力电传感器的输入电压的连接、输出电压的测量电路如图所示，滑线变阻器采用分压型接法，以满足电压的调节范围尽可能大的题设要求。（2）步骤如下：按所设计的测量电路将有关仪器正确地接入电路；闭合电键S后，移动滑线变阻器的滑动头，调节输入端的电压，使力电转换器空载时的输出电压为0；,将质量为的砝码放置于力电转换器的受压面，稳定后读出此时力电转器的输出电压，因为力电转换器的输出电压与受压面所受压力的大小成正比，所以有Uo=kmog，比例系数k=U0/mog将待测物体放置于力电转换器的受压力面，稳定后读出此时力电转换器的输出电压UU=kmgmg=U/Uo(mg)；故只要读出此时力电转换器的输出电压U，就可以计算出待测物体的质量或重力，也可以对其它形式的力进行测量。（3）因电源电压不够而输出电压调不到零。待测物体的质量超出转换器量程。,例2、如图，甲为在10左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1=2k,R2=1.5k,R3=4k,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Uab0,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Uab0时,电压鉴别器使S断开,停止加热.则恒温箱内的温度大约恒定在,解析：从题目给出的条件可知：当a、b之间的电压Uab=0即为电热丝在工作与不工作的临界状态，此时a、b电势相等电压鉴别器中无电流通过。则R1与R3的电压必相等，R2与Rt两端电压势必相等，因此就有：I1=I2，I3=I4；I1R1=I3R3，I2R2=I4Rt;R1/R2=R3/Rt由此可算得Rt3k从热敏电阻的Rt图像可知Rt3k时，温度为25思路点拨：本题的关键是从条件推出a、b两点的临界电压为零，并导出纯电阻电桥的平衡条件。由此算出临界状态下热敏电阻的阻值，再通过查Rt图像的方法推得温度值,例3、如图所示的装置可以测量飞行器在竖直方向上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的上、下壁各安装一个可以测力的传感器，分别连接两根劲度系数相同（可,拉伸可压缩）的轻弹簧的一端,弹簧的另一端都固定在一个滑块上,滑块套在光滑竖直杆上.现将该装置固定在一个飞行器上,传感器P在上,传感器Q在下.飞行器在地面静止时,传感器P、Q显示的弹力大小均为10N.求：滑块的质量;（地面处的g=10m/s2）当飞行器竖直向上飞到离地面R/4高处，此处的重力加速度为多大？（R是地球的半径）若在此高度处传感器P显示的弹力大小为F1=20N，此时飞行器的加速度是多大？,解：设P、Q显示的弹力大小分别为F1、F2，根据滑块平衡条件可知，F1应为拉力，方向应向上，F2应变支持力，方向向上。所以滑块质量mg=F1+F2=20m=2kg.由mg=GMm/r2得：g=GM/r21/r2,g=()2go=()210m/s2=1.6m/s2弹簧总长度不变，当P传感器显示的弹力变为F=20N，即增加10N，亦即上面弹簧的伸长量变为飞行器在地面静止时的两倍，而下面的弹簧的压缩量也变为原来的两倍，即F2=20N。对滑块应用牛顿第二定律：F1+F2mg=maa=18.4m/s2,例4、在科技活动中，某同学利用自制的电子秤来称量物体的质量.图所示为电子秤的原理图，托盘,和弹簧的电阻与质量均不计，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，限流电阻的阻值为R0，弹簧劲度系数为k，不计一切摩擦和其他阻力，电压表为理想表，当托盘上放上某物体时，电压表的示数为U，求此时称量物体的质量。,解：电子称的原理图有甲、乙两种。因为不计托盘和弹簧的质量，所以当托盘中没有放物体时，电压表示数为零，此时滑动变阻器的滑动头正好在最上端。kx=mg回路电流强度I=设弹簧奢缩量x对应部分的电阻R1=电压表的读数：U=IR1由以上几式运算得到：,六、练习题,1、传感器是一种采集信息的重要器件，图示的是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路。当待测压力F作用于可动膜片电极上时，以下说法中正确的是（B）,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，则说前压力F不发生变化A、；B、；C、；D、,2、传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用，如图所示是一种测量液面高度的电容式传感器的示意,图，金属芯线与导电液体之间形成一个电容器。从电容大小的变化就能反映液面的升降情况。当测得电容值增大，可以确定h将（A）A、增大；B、减小；C、不变；D无法确定。,解释：导电液体相当于电容器的另一个极板，由公式C=S/d可知：电容增大时，在介质及其厚度均不变时，必然是正对面积增大，所以液面应上升。,3、某仪器内部的电路如图所示，其中M是一个质量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制作的弹簧相连，,并套在光滑水平细杆上，当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态，此时两灯都不亮。若将仪器固定在一辆汽车上，则下列说法中正确的是：（B）（A）当汽车加速前进时，甲灯亮；（B）当汽车加速前进时，乙灯亮；（C）当汽车刹车时，甲灯亮；（D）当汽车刹车时，乙灯亮。,4、如图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、后壁上安装一个由力敏,电阻组成的压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块，滑块可以无摩擦滑动，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原液晶显示屏上读出。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。（取g=10m/s2若传感器a的示数为14N，b的示数为6.0N，求此时汽车的加速大小如何？当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零。,解：a、b为压力传感器，当a、b的压力均为10N时，滑块处于平衡状态；当Fa=14N,Fb=6N时，滑块受到的合力F=8N=maa=4m./s2弹簧的总长度不变，当Fa=0时，Fb=20N，滑块受到的合力F=20=maa=10m/s2.汽车向左做匀加速直线运动，或向右做匀减速直线运动。,5、两上质量不计的弹簧将一金属块支在箱子的上顶板与下顶板之间，箱子只能沿竖直方向运动，如图所示。两弹簧原长均为0.80cm，劲度系数均为60N/m。当箱子以a=2.0m/s2的加速度匀减速上升时，上弹簧的长度为0.70m，下弹簧的长度为0.60m（g取10m/s2）。若上顶板压是下顶板压力的四分之一，试判断箱子的运动情况。,解:根据胡克定律F=kx,设上弹簧压力为F1,下弹簧压力为F2,则F1=kx1=600.1N=6N;对滑块而言向下F2=kx2=600.2N=12N.对滑块而言向下设向下为正方向，当金属块以2.0m/s2的加,速度匀减速上升时，金属块受力如图甲所示，由牛顿第二定律得mg+F1F2=ma，10m+612=2mm=2kg弹簧总长度不变，则L=L1+L2=1.3m当上顶板压力为下底板压力的1/4时，设上、下弹簧的压缩量分别为x1、x22L0x1x2=1.3，kx1=kx2/4x1=0.06m；x2=0.24mF1=kx1=3.6N；F2=kx2=14.4Nmg+F1F2=maa=4.4m/s2.箱子以大小为4.4m/s2的加速度加上升或减速下降。,6加速度计是测定物体加速度的仪器,在现代科技中它已成为导弹、飞机、潜艇或宇宙飞船制导系统的信息源.如图所示为应变式加速度计的原理示意图,当系统加速时,加速度计中的敏感元件也处于加速状态,敏感元件下端滑动臂可在滑动变阻器R上自由滑动,当系统加速时敏感元件发生位移,并转换成电信号输出。已知敏感元件的质量为m,两侧弹簧的劲度系数均为k,电源的电动势为E,内电阻不计,滑动变阻器总电阻为R,有效长度为L,系统静止时滑片位于滑动变阻器中央，电压表指针恰好位于表盘中央,求:（1）系统加速度a与电压表示数U的函数关系式,（2）将电压表的刻度盘改为加速度的示数后，其刻度是均匀的，还是不均匀的？为什么?（3）若电压表的指针指向满刻度的3/4位置,此时系统处于加速状态,还是减速状态？加速度的值是多大?（设向右方向为飞行器前进的方向）,解:飞行器静止时电压表读数为U0=E/2设此时弹簧均处于自然状态;当飞行器加速向右运动时,两弹簧的形变均为x,则有:2kx=ma,由分压原理，电压的变化U=E/2U；,由以上两式得：a=,因为aU关系为线性关系，所以将电压表的刻度改为加速值后，其刻度仍然是均匀的。,电压表指针指向满刻度的3/4时，用U=3E/4代入上式得a=KL/2m。负号表示飞行器向右做匀减速运动。,7、有一种角速度计可以测量航天器的转动角速度.其结构如图所示,角速度计固定在待测装置上,当装置绕竖直轴OO转动时,元件A在光滑杆上发生位移并输出电压信号,成为航天器制导系统的信息源.已知A的质量,为m，弹簧的劲度系数为k，自然长度为Lo，电源的电动势为E。当系统以角速度转动时，求电压表读数U与角速度的函数关系。,解；当系统以角速度转动时，对元件A，弹簧的弹力提供做圆周运动的向心力为kx=m2(Lo+x)电压表的读数U=xE/L.由此解得U与的函数关系：U=m2LoE/(kLm2L)当x=L时，U=E，=kL/m(Lo+L)1/2。上式成立的条件是：kL/m(Lo+L)1/2,8、如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计。不称物体时，滑片P在A端，滑动变阻器接入电路的有效电阻最大,电流较小;称重物时,有压力作用下使滑片P下滑,滑动变阻器有效电阻变小,电流变大,这样把电流对应的重量值刻在刻度盘上,就可以读出被称物体的重量值.若滑动变阻器上A、B间距离为L,最大阻值等于电阻阻值Ro，已知两只弹簧的总弹力与形变量成正比,比例系数为k,所称重物的重量G与电流大小I的关系为：（A）A.G=2kLkEL/IR0；B.G=2kL+kEL/IR0;C.G=E/IR0+kL；D.G=KIL,9、如图所示为某种电子秤的原理示意图,AB为一均匀的滑线变阻器,阻值为R,长度为L,两边分别有P1、P2两个两个滑动触头,与P1相连的金属杆可在被固定的竖直光滑绝缘杆M收保持水平状态，金属细杆与托盘相连,金属杆所受重力不计.弹簧处于原长时P1刚好指向A端.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显示出质量的大小.已知弹簧的劲度系数为k,托盘自身质量为mo,电源的电动势为E,电源的内阻忽略不计,信号放大器、信号转换器和显示器的分流作用忽略不计。求：托盘上未放物体时,在托盘的自身重力作用下,P1距A端的距离x1;在托盘上放有质量为m的物体时，P1距A端的距离x2；在托盘上未放物体时通常先校准零点,其方法是:调节P2,从而使P1、P2间的电压为零。校准零点后,将被称物体放在托盘上。试推导出被称物体的质量m与P1、P2间电压U的函数关系。,解：mog=kx1x1=mg/k；kx2=mog+mgx2=(mo+m)/k；设电路中电流为I，则E=IR；设P1、P2间电阻为Rx，距离为x。则有,U=IR,x=x2x1；解得：m=kLU/gE.,10、如图所示一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图薄金属片P固定有4个电阻Rl、R2、R3、R4（如图），左边是它的侧面图，这4个电阻连接成电路如图所示，试回答下列问题：（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系?（2）当O点加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻大小如何变化?（3）电阻变化后，电路的A、B两点哪点电压高?它为什么能测量血压?,解：要电压表的示数为零，A、B两点电势必须相等，则电压表支路均电流通过，电阻R1、R2、R3、R4的电U1、U2、U3、U4满足关系：U1=U3；U2=U4。由此可得四个电,当O点加垂直于金属片的压力后，金属片发生形变，由于电阻是固定在金属片上，因此，R1、R4被拉长，R2、R3被拉宽，即R1、R4增大，R2、R3减小。这时A、B两点电势不再相等。电阻增大，电压增大，电阻减小，分压也减小。所以，A点电势将高于B点电势，血压越高，压力越大，金属片形变越显著，电阻变化越大，因而电压表示数越大。于是可以根据电压表示数的大小来测量血压的高低。,11、（2001年高考物理科研测试卷）将一个动力传感器接到计算机上，我们就就可以测量快速变化的力图中所示就是用这种方法测得的某小滑块在半球形碗内的竖直平面内来回滑动时,对碗的压力随时间变化的曲线.请分析:,小滑块的运动并从这根曲线获取的各种信息，你能对小滑块本身及其运动做出哪些推论和判断？要求陈述得出这些信息以及推论和判断的论证过程,解：小球质量m59g；由于振幅很大，小滑块在碗中近似做周期性振动，但不是简谐运动；振动周期t2.0s；由于最大偏角在逐渐减小，小滑块是做阻尼振动，表明小滑块运动中受到来自摩擦、空气等的阻力作用,12、右图中的实线所示是某同学利用力传感器悬挂一砝码在竖直方向运动时，数据采集器记录下的,的力传感器中拉力的大小变化情况从图中可以知道该砝码的重力约为N，A、B、C、D四段图线中砝码处于超重状态的为，处于失重状态的为答案：4.8;AD;BC.,13、如图所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空气隙的是另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小块金,与该金属片隔有一定空气隙的是另一块小的固定金属片，这两块金属片组成一个小电容器，其电容可用式C=S/d计算，式中常量=91012Fm1，S为金属片的正对面积，d为两金属片间的距离。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能够检测出哪个键被按下，从而给出相应的信号。设S50mm2，键未被按下时d0.6mm，如果电容变化了0.25pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下(D)A.0.45mm；B.0.3mm；C.0.2mm；D.0.15mm。,14、1981年,美国IBM公司发明了世界上第一台扫描隧道显微镜，在技术上实现了对单个原子的控制与操作扫描隧道显微镜的探测精度取决于探针长度的控制，一般用压电陶瓷片来控制探针在原,子表面的上下移动如图所示，当在压电陶瓷片z方向两侧面施加电压U时，在x方向就产生一个伸长量L，它们之间的关系是L=kU，其中k为与压电陶瓷片的材料和形状有关的常数现有一实验用压电陶瓷片，当所加电压U=1000V时，伸长量为L=2.0104m，（此时通过压电陶瓷片的电流几乎为零）如果要求压电陶瓷片的最大伸长量控制在4.0106m，求：（1）压电陶瓷片上下两侧所加电压的最大值为多大？,（2）若实验室有一个电动势为E=24V、内阻为r=2.0的电源，一个调节范围为0100的滑动变阻器，一个量程为030V的理想电压表，另外还有导线及开关若干试从以上提供的器材中选择必须的器材设计一个测量压电陶瓷片伸长量的电路，要求该电路能测到压电陶瓷片的伸长量的最大变化范围（3）在你所画的电路中，滑动变阻器上与压电陶瓷片并联部分的阻值的范围如何？答案（1）20V（2）略（3）085,解:高压陶瓷片的最大伸长量为m，对应的电压为m，由kU得,测量电路如图所示,设压电陶瓷片上所加的电压为时，滑动变阻器与压电陶瓷片并联部分的电阻值为x,由分压原理得：,x=85,Rx的取值范围是：85.,15、（广州）一台臭氧发生器P的电阻为10k,当供电电压等于24V时能正常工作,否则不产生臭氧.现要用这,种臭氧发生器制成自动消毒装置,要求它在有光照时能产生臭氧,黑暗时不产生臭氧,拟用一个光敏电阻R1对它进行控制，R1的阻值在光照时为100、黑暗时为1000、允许通过的最大电流为3mA;电源E的电压为36V、内阻不计;另有一个滑动变阻器R2，阻值0100、允许通过的最大电流为0.4A;一个开关S和导线若干.,臭氧发生器P和光敏电阻R1的符号如右图所示.,（1）设计一个满足上述要求的电路图，图中各元件要标上字母代号，其中滑动变阻器两固定接线柱端分别标上字母A、B（电路画在答卷的方框内）.（2）滑动变阻器R2两固定接线柱相距12cm，滑片与某固定接线柱之间的阻值跟滑片与该接线柱的距离成正比，滑片应调到离图中A接线柱_cm处(保留一位有效数字).,答案：（1）电路如框图所示（2）8对应右图，,16、如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，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：（BD）,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，信号处理系统获得较低电压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,17.一热敏电阻阻随温度为化的图象如图甲所示,请应用这一热敏电阻自行设计一控制电路,当温度高于某一值后红色指示灯亮,而温度低于这一值时绿色指示灯亮.给你的器材有；如图乙所示的继电器一只（a、b为常闭触点，c、d为常开触点、热敏电阻一只、滑动变阻器一个、红绿色指示灯各一个，两个独立的电池组、开关两个、导线若干等。并且请说明滑动变阻器的作用。,17、解：设计的控制电路如图所示。此方案中滑动变阻器的作用：主要是通过调节满足对热敏电阻的要求。说明：滑动变阻器作分压式连接正确同样给分。,18、光电管在各种自动化装置中有很多应用，街道路灯自动控制就是其中应用之一。如图所示的电路为其模拟电路，其中A为光电管，B为电磁继电器，C为照明电路，D为路灯，请连成正确的电路，达到日出路灯熄，日落路灯亮的效果。,18题答案：连线如图所示,9、如图所示，是现代化工业生产中大部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图，它由电源、光电管、放大器、电磁继电器等几部分组成；当用绿光照射图中光电管阴极K时，可发生光电效应，则以下说法正确的是：（BD）,（A）增大绿光照射强度，光电子最大初动能增大；（B）增大绿光照射强度,电路中的光电流增大；,（C）改用波长比绿光波长大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流；（D）改频率长比绿光频率大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流。,20、如图所示为自动水位报警器的示意图，在水位低于B时，电磁铁所在的控制电路部分断路，电磁铁没有_，上面的触点_位升高到B时电磁铁所在的控,制电路部分接通，电磁铁有_，吸引衔铁，上面的触点断开，下面的触点_，_灯亮.,解：.磁性闭合绿磁性闭合红.,21、(2002年上海高考)如图所示,为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置的示意图,A为光源，B为光电接收器,A、B,固定在车身上，C为小车的车轮，D是与C同轴相连的齿轮.车轮转动时，A发光的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后就变成脉冲光信