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(共42張PPT)
一般情況下傳感器產生的電壓（流）等電學物理量的信號值都相當微弱的，難以帶動執行機構去實現控制動作，所以一般都是將傳感器和各種門電路、放大電路等結合在一起使用的。
傳感器應用的一般模式
一、力傳感器的應用——1 電子秤
（1）電子秤使用的測力裝置是什么？
它是由什么元件組成的？
（2）簡述力傳感器的工作原理。
（3）應變片能夠把什么力學量轉化為什么電學量？
應變片能夠把物體形變這個力學量轉化為電壓這個電學量（輸出應變片上下表面的電壓差值）
形變
（力學量）
電 壓
（電學量）
轉換
金屬梁
1.關于電子秤中應變式力傳感器的說法正確的是 （ ）
A.應變片多用半導體材料制成
B.當應變片的表面拉伸時，其電阻變大；反之，變小
C.傳感器輸出的是應變片上的電壓
D.外力越大，輸出的電壓差值也越大
A B D
2：（2003上海考題）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑桿p，通過電壓表顯示的數據，來反映物體位移的大小x。假設電壓表是理想的，則下列說法正確的是 ( )
A. 物體M運動時，電源內的電流會發生變化
B. 物體M運動時，電壓表的示數會發生變化
C. 物體M不動時，電路中沒有電流
D. 物體M不動時，電壓表沒有示數
B
1、動圈式話筒：
膜片在聲波下振動，使得與膜片相連的線圈中產生周期性變化的感應電流。
二、聲傳感器的應用——話筒
2、電容式話筒：
金屬膜片M 和固定電極 N 形成一 個電容器,M 在聲波作用下振動,電容器的電容作周期性變化，電阻R 兩端的電壓也做相應的周期性變化。
絕緣支架
例題：（2003上海試題）唱卡拉OK用的話筒，內有傳感器。其中有一種是動圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當聲波使膜片前后振動時，就將聲音信號轉變為電信號。下列說法正確的是 ( )
A 該傳感器是根據電流的磁效應工作的
B 該傳感器是根據電磁感應原理工作的
C 膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通量不變
D 膜片振動時，金屬線圈中不會產生感應電動勢
B
金屬板
金屬膜
振動膜
外電路
圖5
例題：如圖是電容式話筒的示意圖，它是利用電容制作的傳感器，話筒的振動膜前面鍍有薄薄的金屬層，膜后距膜幾十微米處有一金屬板，振動膜上的金屬層和這個金屬板構成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對著話筒說話時，振動膜前后振動，使電容發生變化，導致話筒所在電路中的其它量發生變化，使聲音信號被話筒轉化為電信號，其中導致電容變化的原因可能是容器兩板間的（ ）
（A）距離變化 （B）正對面積變化
（C）介質變化 （D）電壓變化
A
3、駐極體話筒：
它由內部的駐極體塑料膜感受聲波，其工作原理與電容式話筒類似，但是工作的電壓只須 3～6 V，
＋
＋
＋
－
－
－
特點：體積小，重量輕，價格便宜，靈敏度高，常用在盒式錄音機、聲控玩具等便宜的家電上
常溫下兩觸點分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發生變化，使觸點接觸。
三、溫度傳感器的應用——1.電熨斗
雙金屬片溫度傳感器：
電燙斗的構造
思考與討論：
●常溫下兩觸點是接觸還是分離？
●如何用調溫旋鈕來升高或降低電燙斗的工作溫度？
練習、 如圖所示是一種熱敏電阻（PTC元件）的電阻R隨溫度t變化的關系圖線，這種元件具有發熱、控溫雙重功能．常見的電熱滅蚊器中就使用這種元件來加溫并控制溫度．如果將該元件接到220V恒定電壓下，則
A．通電后，其電功率先增大后減小
B．通電后，其電功率先減小后增大
C．當其發熱功率等于散熱功率時，溫度保持在t1不變
D．當其發熱功率等于散熱功率時，溫度保持在t1 到t2之間的某一值不變
t/℃
R
t2
t1
AD
M
2.冰箱溫度控制器(問題與練習1)
4、彈簧片
1、測溫泡
2、細管
3、彈性金屬盒
5、動觸點
6、靜觸點
7、拉桿
8、凸輪
9、連桿
思考與討論：
1、為什么溫度較高時壓縮機自動工作，達到設定低溫后就自動停止工作？
2、凸輪為什么可以改變設定的溫度？
氯甲烷及它的蒸氣
3、恒溫箱溫控器(問題與練習3)
思考與討論：
1、應該把恒溫箱中的加熱器接在 A、B 還是 C、D 之間呢？
2、要使箱內溫度保持100℃，可變電阻R′值應調節多大？
感溫鐵氧體的“居里點”：
感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，但溫度升高到103℃時便失去了鐵磁性，這個溫度稱為這種材料的“居里溫度”或“居里點”。
4 .電飯鍋
電飯鍋的構造
思考與討論：
●開始做飯時為什么要壓下開關按鈕？
●若用電飯鍋燒水，水在沸騰以后是否會自動斷電？
5、測溫儀
用溫度傳感器可以把溫度轉換為電信號。測溫元件可以是熱敏電阻、金屬熱電阻、熱電偶、紅外線敏感元件等。
電信號可以遠距離輸送，因而溫度傳感器可以遠距離讀取溫度。
熱電偶：將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，當導體A和B的兩個焊接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一定大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。
將微機輔助實驗系統所配的溫度傳感器與計算機連接，可以實現數據采集、處理、畫圖的智能化功能。
四、光傳感器的應用——1.鼠標器
鼠標中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標移動時，滾球帶動 x、y 方向兩個碼盤轉動，紅外管接收到一個個紅外線脈沖。計算機分別統計 x、y 兩個方向上的脈沖信號，就能確定鼠標的位置。
2. 火災報警器
光電三極管是煙霧火警報警器中的光傳感器。平時，發光二極管發出的光被不透明擋板擋住。當有煙霧時，煙霧對光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報警電路工作。
小 結
1、溫度傳感器
的應用
（1）電飯鍋
（2）測溫儀
2、光傳感器
的應用
（1）鼠標器
（2）火災報警器
溫度傳感器的應用
【例1】如圖甲為在溫度為10℃左右的環境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖，箱內的電阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖乙所示．當 a、b端電壓 Uab<0時，電壓鑒別器會令開關S接通，恒溫箱內的電熱絲發熱，使箱內溫度提高；當Uab>0時，電壓鑒別器使 S斷開，停止加熱，恒溫箱內的溫度恒定在_________℃．
35
解：設電路兩端電壓為為U，當Uab=0時，
有
解得Rt=20 kΩ
由圖乙可知，當Rt=20 kΩ時，t=35℃．
03年上海高考18、
圖1為某一熱敏電阻R(電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感)的I-U關系曲線圖。
⑴為了通過測量得到圖1所示I-U關系的完整曲線，在圖2和圖3兩個電路中應選擇的是圖 ；簡要說明理由：
。（電源電動勢為9V，內阻不計，滑線變阻器的阻值為0-100Ω）
⑵在圖4電路中，電源電壓恒為9V，理想電流表讀數為70mA，定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為________V；電阻R2的阻值為 Ω。
⑶舉出一個可以應用熱敏電阻的例子：_____________。
2
電壓可從0V調到所需電壓，調節范圍較大
解: ⑵ I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA
由圖1得 UR=5.2V
5.2
R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 Ω
111.6—112.0
熱敏溫度計
V
A
圖2
V
A
圖3
I/mA
U/V
1 2 3 4 5 6 7
50
0
圖1
10
20
30
40
A
R1
R2
熱敏電阻
圖4
R
9V
光傳感器的應用
【例2】如圖所示為一實驗小車中利用光電脈沖測量車速和行程的裝置示意圖。A為光源，B為光電接收器，A、B均固定在車身上，C為小車的車輪，D為與C同軸相連的齒輪。車輪轉動時，A發出的光束通過旋轉齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號，被B接收并轉換成電信號，由電子電路記錄和顯示。若實驗顯示單位時間內脈沖數為n，累計脈沖數為N，則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理量和數據是 ，小車速度的表達式為v= ；行程的表達式為= 。
車輪的半徑R和齒輪P
光束原來是連續的，是轉動的齒輪使光束變為脈沖，因此脈沖情況必定與齒輪（或車輪）的轉動有關，也就與速度和行程有關。
根據速度的意義和車正常行駛的情況，應有v=2πR f，其中R為車輪的半徑，f為單位時間內車輪轉過的圈數；若車輪的齒數為P，則轉一圈應有P個脈沖被B接收到，因此有 代入上式，有
同樣，根據行程的意義，應有，其中f為整個行程中車輪轉過的圈數；而 ，所以
可見，還必須測量的物理量和數據是車輪的半徑R和齒輪齒數P，速度和行程的表達式如上面兩式所示。
3.如圖所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中A是發光儀器，B是傳送帶上物品，R1為光敏電阻，R2為定值電阻，此光電計數器的基本工作原理是（ ）
（A）當有光照射R1時，信號處理系統獲得高電壓
（B）當有光照射R1時，信號處理系統獲得低電壓
（C）信號處理系統每獲得一次低電壓就記數一次
（D）信號處理系統每獲得一次高電壓就記數一次
B D
R2
A
R1
信號處理系統
圖3
B
力電轉換器
＋
＋
－
－
輸出
輸入
受壓面
4：某學生為了測量一個物體的質量，找到一個力電轉換器，該轉換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數為k）如圖所示，測量時先調節輸入端的電壓，使轉換器空載時的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放上物體，即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U。
現有下列器材：力電轉換器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池一個、電鍵及導線若干、待測物體（可置于力電轉換器的受壓面上）。請完成對該物體的測量m。
（1）設計一個電路，要求力轉換器的輸入電壓可調，并且使電壓的調節范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測量電路圖。
（2）簡要說明測量步驟，求出比例系數k，并測出待測物體的質量m。
（3）請設想實驗中可能會出現的一個問題。
力電轉換器
＋
＋
－
－
輸出
輸入
受壓器
S
V
R
解析： （1）設計的電路圖如圖所示，輸入電壓采用分壓接法目的是讓電壓可調范圍盡可能大。
（2）測量步驟：
①調節滑動變阻器，使轉換器的輸出電壓為零。
②將質量為m0的砝碼放在轉換器上，記下輸出電壓U0。
③將待測物體放在轉換器上，記下輸出電壓U1，由U0=km0g得k=U0/m0g，測得U1=kmg，所以m=m0U1/U0。
（3）可能出現的問題
①因電源電壓不夠而輸出電壓
調不到零。
②待測物體質量超出轉換器量程。
2.加速度計 問題與練習2
1、兩個電池的電動勢
一樣大
2、滑片在中間位置電
壓表的讀數為零
3、P 點電勢高與 Q點
時，指針向右偏轉
練習：慣性制導系統已廣泛應用于導彈工程中，這個系統的重要元件是加速度計。加速度計的構造和原理的示意圖如圖示，沿導彈長度方向安裝的固定光滑桿上套一個質量為m的滑塊，滑塊的兩側分別與勁度系數均為k的彈簧相連，兩彈簧的另一端與固定壁相連。滑塊原來靜止，彈簧處于自然長度。滑塊上有指針，可通過標尺測出滑塊的位移，然后通過控制系統進行制導。設某段時間內導彈沿水平方向運動，指針向左偏離O點的距離為S，則這段時間內導彈的加速度 （ ）
A. 方向向左，大小為 k S/m
B．方向向右，大小為 k S/m
C．方向向左，大小為 2k S/m
D. 方向向右，大小為 2k S/m
0
10
10
U
P
D
(2)若電位器（可變電阻）總長度為L，其電阻均勻，兩端接在穩壓電源U0上，當導彈以加速度a沿水平方向運動時，與滑塊連接的滑動片P產生位移，此時可輸出一個電信號U，作為導彈慣性制導系統的信息源，為控制導彈運動狀態輸入信息，試寫出U與a 的函數關系式。
0
10
10
U
P
U0
解：a=2kx/m
∴ x=ma/2k
U=U0 Rx / R = U0 x / L
=maU0 / 2kL
=mU0 a / 2kL∝a
練習:可測量飛機、航天器、潛艇的轉動角速度,其結構如圖所示。當系統繞軸OO′轉動時，元件A發生位移并輸出相應的電壓信號，成為飛機、衛星等的制導系統的信息源。已知A的質量為m，彈簧的勁度系數為k、自然長度為l，電源的電動勢為E、內阻不計。滑動變阻器總長也為l ，電阻分布均勻，系統靜止時P在B點，當系統以角速度ω轉動時，試寫出輸出電壓U與ω的函數式。
A
S
P
C
B
ω
O
O′
輸出電壓U
解：設彈簧伸長x , 則
kx=m ω2(l+x)
∴ x= m ω2 l ／ ( k-m ω2 )
設滑動變阻器單位長度
的電阻為r1
U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l
∴ U= Em ω2 ／(k-m ω2)
練習、 用如圖所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度．該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個由力敏電阻組成的壓力傳感器．用兩根相同的輕彈簧夾著一個質量為2.0 kg的滑塊可無摩擦滑動，兩彈簧的另一端分別壓在傳感器a、b上，其壓力大小可直接從傳感器的液晶顯示屏上讀出．現將裝置沿運動方向固定在汽車上，傳感器b在前，傳感器a在后．汽車靜止時，傳感器a、b在的示數均為 10 N（取g=10 m／s2）．
（1）若傳感器a的示數為 14 N、b的示數為6.0 N，求此時汽車的加速度大小和方向．
（2）當汽車以怎樣的加速度
運動時，傳感器a的示數為零．
解：（1）如圖所示，依題意：左側彈簧對滑塊向右的推力 F1=14N，右側彈簧對滑塊的向左的推力
F2=6.0 N．滑塊所受合力產生加速度a1，根據牛
頓第二定律有
得 a=4 m/s2
a1與F1同方向，即向前（向右）．
（2）a傳感器的讀數恰為零，即左側彈簧的彈力F1/=0，因兩彈簧相同，左彈簧伸長多少，右彈簧就縮短多少，所以右彈簧的彈力變為F2/=20N。滑塊所受合力產生加速度，由牛頓第二定律得，a2=10m/s2，方向向左．
練習：將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個矩形的箱中，如圖所示，在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運動。當箱以a=2.0 m/s2的加速度豎直向上做勻減速運動時，上頂板的傳感器顯示的壓力為6.0N，下底板的傳感器顯示的壓力為10.0N。(取g=10 m/s2)
(1)若上頂板傳感器的示數是下底板
傳感器的示數的一半， 試判斷箱的運
動情況。
(2)要使上頂板傳感器的示數為零,箱
沿豎直方向運動的情況可能是怎樣的？
m
原來
（1）
（2）
解：
m
向上做勻減速運動a向下a=2m/s2
F=10N
F1 =6N
mg
a
mg+F1-F=ma
m=0.5kg
上頂板示數是下底板示數的1/2
彈簧長度不變F=10N F2=5N
F
mg
F2
a2
mg+F2-F=ma2
a2=0
靜止或勻速運動
上頂板示數為零，則彈簧變短，
F≥10N F3=0
F
mg
a3
F – mg = ma3
a3 ≥ 10m/s2
向上加速或向下減速，加速度a≥ 10m/s2。

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