62传感器的应用一二.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,传感器的应用,(,一、二,),注：建议上,3-4,课时,传感器应用的一般模式,传感器,电信号,微弱,放大,转换,电路,执行机构,显示器,计算机系统,一,.,力传感器,电子秤,金属梁,形变,（力学量）,电 压,（电学量）,转换,机理,半导体材料,应变片,金,属,梁,上,下,表,面,各,贴,一,个,应,变,片,自由端受到向下压力,梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,R,增大,R,减小,片,应,变,F,越大,应变片中,R,变化越大,I,恒定,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,m,0,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,受压面,_,+,+,_,输出,输入,力电转换器,受压面,_,+,+,_,V,(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,m,0,的砝码放在转换器上，记下输出电压,U,0,。,将待测物体放在转换器上，记下输出电压,U,1,。,得,k,=,U,0,/,m,0,g,由,U,0,=,km,0,g,得,m,=,m,0,U,1,/,U,0,由,U,1,=,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,膜片,声波趋动下,平衡位置,附近振动,线圈振动,线圈中,磁通量,周期性,变化,周期性,变化的,感应电流,绝缘支架,电容式话筒,薄,金,属,膜,M,固,定,电,极,N,构,成,电容器,充电,直流电源,膜片,M,声波趋动,振动,电容变化,电容器,充电放电,电路中,形成变,化电流,R,两端输出,与声音规律,相同的电压,驻极体话筒,2.7 k,E,R,C,S,D,6 V,10 F,驻极体话筒,输出,工作电路,由内部的柱极体塑料膜感受声波,工,作,原,理,与电容话筒类似,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,金属板,金属膜,振动膜,外电路,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,介质变化,D,电压变化,A,三,.,温度传感器,电熨斗,原理图,双金属片,温,控,原,理,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，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,100,0,C,，可变电阻,R,的值应调节为多少？,解答：,(1),A,、,B,端。,R,G,(2),由图甲知，,t=,100,时,R=,50,继电器电路中电流在,100,时,:,I,=,其中 为继电器的电阻,代入数据解得,:,R,+,R,G,+,R,R,=,100,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,R,1,=,20 k,，,R,2,=,10 k,，,R,3,=,40 k,，,R,t,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,U,ab,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,U,ab,=0,时，,有：,U,R,1,+,R,2,R,1,=,U,R,t,R,3,+,R,3,解得,R,t,=,20 k,查图乙可知，,当,R,t,=,20 k,时，,t=,35,冰箱温度控制器,M,1,测温泡,2,细管,3,弹性金属盒,4,弹簧片,5,动触点,6,静触点,7,拉杆,8,凸轮,9,连杆,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,电饭锅,感温铁氧体,感温材料,氧化锰、氧化锌,氧化铁粉末混合,居里点,常温下有磁性,约,103,0,C,时，失去磁性,结构图示,开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。,水沸腾后，锅内大致保持,100,不变。,饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点,103”,时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热,如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持,100,不变，温度低于“居里点,103”,，电饭锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到,103,才能自动断电。,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,A,B,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,t,1,不变,D,当其发热功率等于散热功率时，温度保持在,t,1,到,t,2,之间的某一值不变,t,/,R,t,2,t,1,A D,测温仪,各种数字式,温度计,测温元件,热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等,可以实现远距离测温度,实现数据采集、处理、画图的智能化功能,非接触式红外测温仪,由于物体的温度不同，发射红外线的情况也不同，因此利用红外线敏感元件可以实现无接触测温,热电偶,T,1,T,2,mA,T,1,T,2,四,.,光传感器,鼠标器,滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管,部,件,当鼠标在桌面上滚动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号。计算机分别统计,x,、,y,两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。,原,理,火灾报警器,烟雾散射式,火灾报警器,结构,原理,在没有发生火灾时，光电三极管收不到,LED,发出的光，呈现高电阻状态。当发生火灾时，产生大量烟雾，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。,原理,工作,例,9,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,置示意图。,A,为光源，,B,为光电接,收器，,A,、,B,均固定在车身上，,C,为小车的车轮，,D,为与,C,同轴相连,的齿轮。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，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为,n,，累计脉冲数为,N,，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是,，小车速度的表达式为,v,=,；行程的表达式为,S,=,。,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。,车行驶速度在数值上等于车轮绕轴转动的线速度,即,v,=,2,Rf,(,R,为车轮半径，,f,为转速,),被,B,接收到，则,f,=,若,D,的齿轮数为,Q,，则车轮转一圈有,Q,个光脉冲,n,Q,2,Rn,，则车速,v,=,Q,车的行程,S,=,vt,，其中,t,=,N,n Q,2,RN,Q,，则,S,=,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,R,1,为光敏电阻，,R,2,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,R,1,时，处理系统获得高电压,B,当有激光照射,R,1,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,信号处理系统,R,2,R,1,激光,A D,测 力,测物体加速度,测物体角速度,测 位 移,拓展性研究,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，,R,0,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：,(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,.,P,C,A,O,R,0,C,D,解答：,(1),小球,P,受力如图所示。,mg,F,T,根据平衡条件，风力,F,=,mg,tan,(2),设电源电动势为,E,，,BC,长为,x,，根据闭合电路欧姆定律得：,E,=,I,(,R,0,+,kl,),E,=,I,(,R,0,+,kx,),由几何关系有：,x,=,h,tan,x,=,R,0,+,kl,I,I,R,0,k,k,F,=,R,0,+,kl,I,I,R,0,k,k,mg,h,h,),(,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,/,m,B,方向向右，大小为,k S,/,m,C,方向向左，大小为,2,k S,/,m,D.,方向向右，大小为,2,k S,/,m,0,10,10,U,P,D,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,U,0,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,0,10,10,U,P,导弹运动状态输入信息，试写出,U,与,a,的函数关系式。,解答：,S,=,ma,/2,k,a,=2,kS,/,m,U,=,R,x,R,U,0,U,0,S,l,=,=,mU,0,2,kl,a,飞机、航天器、潜艇的转动角速度可用结构如图所示的原理进行测量,.,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,A,S,P,C,B,U,O,O,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。,解答：,设弹簧伸长,x,则,kx=m,2,(,l+x,),x=,m,2,l,k,m,2,即,设滑动变阻器单位长度的电阻为,r,0,U,=,IR,x,=,E x r,0,l,r,0,=,x,l,E,U,=,E m,2,k,m,2,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,