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(共42張PPT)
一般情況下傳感器產(chǎn)生的電壓（流）等電學(xué)物理量的信號(hào)值都相當(dāng)微弱的，難以帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作，所以一般都是將傳感器和各種門(mén)電路、放大電路等結(jié)合在一起使用的。
傳感器應(yīng)用的一般模式
一、力傳感器的應(yīng)用——1 電子秤
（1）電子秤使用的測(cè)力裝置是什么？
它是由什么元件組成的？
（2）簡(jiǎn)述力傳感器的工作原理。
（3）應(yīng)變片能夠把什么力學(xué)量轉(zhuǎn)化為什么電學(xué)量？
應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量（輸出應(yīng)變片上下表面的電壓差值）
形變
（力學(xué)量）
電 壓
（電學(xué)量）
轉(zhuǎn)換
金屬梁
1.關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器的說(shuō)法正確的是 （ ）
A.應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成
B.當(dāng)應(yīng)變片的表面拉伸時(shí)，其電阻變大；反之，變小
C.傳感器輸出的是應(yīng)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?？碱}）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿p，通過(guò)電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來(lái)反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說(shuō)法正確的是 ( )
A. 物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化
B. 物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化
C. 物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒(méi)有電流
D. 物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒(méi)有示數(shù)
B
1、動(dòng)圈式話筒：
膜片在聲波下振動(dòng)，使得與膜片相連的線圈中產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電流。
二、聲傳感器的應(yīng)用——話筒
2、電容式話筒：
金屬膜片M 和固定電極 N 形成一 個(gè)電容器,M 在聲波作用下振動(dòng),電容器的電容作周期性變化，電阻R 兩端的電壓也做相應(yīng)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(nèi)有傳感器。其中有一種是動(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。下列說(shuō)法正確的是 ( )
A 該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的
B 該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的
C 膜片振動(dòng)時(shí)，穿過(guò)金屬線圈的磁通量不變
D 膜片振動(dòng)時(shí)，金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)
B
金屬板
金屬膜
振動(dòng)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(dòng)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(dòng)膜上的金屬層和這個(gè)金屬板構(gòu)成電容器的兩極，在兩極間加一電壓U，人對(duì)著話筒說(shuō)話時(shí)，振動(dòng)膜前后振動(dòng)，使電容發(fā)生變化，導(dǎo)致話筒所在電路中的其它量發(fā)生變化，使聲音信號(hào)被話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中導(dǎo)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(duì)面積變化
（C）介質(zhì)變化 （D）電壓變化
A
3、駐極體話筒：
它由內(nèi)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(diǎn)：體積小，重量輕，價(jià)格便宜，靈敏度高，常用在盒式錄音機(jī)、聲控玩具等便宜的家電上
常溫下兩觸點(diǎn)分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點(diǎn)接觸。
三、溫度傳感器的應(yīng)用——1.電熨斗
雙金屬片溫度傳感器：
電燙斗的構(gòu)造
思考與討論：
●常溫下兩觸點(diǎn)是接觸還是分離？
●如何用調(diào)溫旋鈕來(lái)升高或降低電燙斗的工作溫度？
練習(xí)、 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(guān)系圖線，這種元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能．常見(jiàn)的電熱滅蚊器中就使用這種元件來(lái)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(dāng)其發(fā)熱功率等于散熱功率時(shí)，溫度保持在t1不變
D．當(dāng)其發(fā)熱功率等于散熱功率時(shí)，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(wèn)題與練習(xí)1)
4、彈簧片
1、測(cè)溫泡
2、細(xì)管
3、彈性金屬盒
5、動(dòng)觸點(diǎn)
6、靜觸點(diǎn)
7、拉桿
8、凸輪
9、連桿
思考與討論：
1、為什么溫度較高時(shí)壓縮機(jī)自動(dòng)工作，達(dá)到設(shè)定低溫后就自動(dòng)停止工作？
2、凸輪為什么可以改變?cè)O(shè)定的溫度？
氯甲烷及它的蒸氣
3、恒溫箱溫控器(問(wèn)題與練習(xí)3)
思考與討論：
1、應(yīng)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(nèi)溫度保持100℃，可變電阻R′值應(yīng)調(diào)節(jié)多大？
感溫鐵氧體的“居里點(diǎn)”：
感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，但溫度升高到103℃時(shí)便失去了鐵磁性，這個(gè)溫度稱為這種材料的“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。
4 .電飯鍋
電飯鍋的構(gòu)造
思考與討論：
●開(kāi)始做飯時(shí)為什么要壓下開(kāi)關(guān)按鈕？
●若用電飯鍋燒水，水在沸騰以后是否會(huì)自動(dòng)斷電？
5、測(cè)溫儀
用溫度傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。測(cè)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(hào)可以遠(yuǎn)距離輸送，因而溫度傳感器可以遠(yuǎn)距離讀取溫度。
熱電偶：將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)焊接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一定大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。
將微機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所配的溫度傳感器與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、畫(huà)圖的智能化功能。
四、光傳感器的應(yīng)用——1.鼠標(biāo)器
鼠標(biāo)中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，滾球帶動(dòng) x、y 方向兩個(gè)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，紅外管接收到一個(gè)個(gè)紅外線脈沖。計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì) x、y 兩個(gè)方向上的脈沖信號(hào)，就能確定鼠標(biāo)的位置。
2. 火災(zāi)報(bào)警器
光電三極管是煙霧火警報(bào)警器中的光傳感器。平時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時(shí)，煙霧對(duì)光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報(bào)警電路工作。
小 結(jié)
1、溫度傳感器
的應(yīng)用
（1）電飯鍋
（2）測(cè)溫儀
2、光傳感器
的應(yīng)用
（1）鼠標(biāo)器
（2）火災(zāi)報(bào)警器
溫度傳感器的應(yīng)用
【例1】如圖甲為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動(dòng)恒溫箱原理簡(jiǎn)圖，箱內(nèi)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(dāng) a、b端電壓 Uab<0時(shí)，電壓鑒別器會(huì)令開(kāi)關(guān)S接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高；當(dāng)Uab>0時(shí)，電壓鑒別器使 S斷開(kāi)，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在_________℃．
35
解：設(shè)電路兩端電壓為為U，當(dāng)Uab=0時(shí)，
有
解得Rt=20 kΩ
由圖乙可知，當(dāng)Rt=20 kΩ時(shí)，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(duì)溫度很敏感)的I-U關(guān)系曲線圖。
⑴為了通過(guò)測(cè)量得到圖1所示I-U關(guān)系的完整曲線，在圖2和圖3兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖 ；簡(jiǎn)要說(shuō)明理由：
。（電源電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)阻不計(jì)，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(shù)為70mA，定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關(guān)系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為_(kāi)_______V；電阻R2的阻值為 Ω。
⑶舉出一個(gè)可以應(yīng)用熱敏電阻的例子：_____________。
2
電壓可從0V調(diào)到所需電壓，調(diào)節(jié)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(jì)
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(yīng)用
【例2】如圖所示為一實(shí)驗(yàn)小車(chē)中利用光電脈沖測(cè)量車(chē)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(chē)身上，C為小車(chē)的車(chē)輪，D為與C同軸相連的齒輪。車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A發(fā)出的光束通過(guò)旋轉(zhuǎn)齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號(hào)，被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電子電路記錄和顯示。若實(shí)驗(yàn)顯示單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)為n，累計(jì)脈沖數(shù)為N，則要測(cè)出小車(chē)的速度和行程還必須測(cè)量的物理量和數(shù)據(jù)是 ，小車(chē)速度的表達(dá)式為v= ；行程的表達(dá)式為= 。
車(chē)輪的半徑R和齒輪P
光束原來(lái)是連續(xù)的，是轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪使光束變?yōu)槊}沖，因此脈沖情況必定與齒輪（或車(chē)輪）的轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)，也就與速度和行程有關(guān)。
根據(jù)速度的意義和車(chē)正常行駛的情況，應(yīng)有v=2πR f，其中R為車(chē)輪的半徑，f為單位時(shí)間內(nèi)車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)；若車(chē)輪的齒數(shù)為P，則轉(zhuǎn)一圈應(yīng)有P個(gè)脈沖被B接收到，因此有 代入上式，有
同樣，根據(jù)行程的意義，應(yīng)有，其中f為整個(gè)行程中車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)；而 ，所以
可見(jiàn)，還必須測(cè)量的物理量和數(shù)據(jù)是車(chē)輪的半徑R和齒輪齒數(shù)P，速度和行程的表達(dá)式如上面兩式所示。
3.如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中A是發(fā)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(jì)數(shù)器的基本工作原理是（ ）
（A）當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓
（B）當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓
（C）信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次
（D）信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次
B D
R2
A
R1
信號(hào)處理系統(tǒng)
圖3
B
力電轉(zhuǎn)換器
＋
＋
－
－
輸出
輸入
受壓面
4：某學(xué)生為了測(cè)量一個(gè)物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為k）如圖所示，測(cè)量時(shí)先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放上物體，即可測(cè)得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U。
現(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為m0的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、干電池一個(gè)、電鍵及導(dǎo)線若干、待測(cè)物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）。請(qǐng)完成對(duì)該物體的測(cè)量m。
（1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要求力轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫(huà)出完整的測(cè)量電路圖。
（2）簡(jiǎn)要說(shuō)明測(cè)量步驟，求出比例系數(shù)k，并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量m。
（3）請(qǐng)?jiān)O(shè)想實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題。
力電轉(zhuǎn)換器
＋
＋
－
－
輸出
輸入
受壓器
S
V
R
解析： （1）設(shè)計(jì)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(diào)范圍盡可能大。
（2）測(cè)量步驟：
①調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零。
②將質(zhì)量為m0的砝碼放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U0。
③將待測(cè)物體放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U1，由U0=km0g得k=U0/m0g，測(cè)得U1=kmg，所以m=m0U1/U0。
（3）可能出現(xiàn)的問(wèn)題
①因電源電壓不夠而輸出電壓
調(diào)不到零。
②待測(cè)物體質(zhì)量超出轉(zhuǎn)換器量程。
2.加速度計(jì) 問(wèn)題與練習(xí)2
1、兩個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)
一樣大
2、滑片在中間位置電
壓表的讀數(shù)為零
3、P 點(diǎn)電勢(shì)高與 Q點(diǎn)
時(shí)，指針向右偏轉(zhuǎn)
練習(xí)：慣性制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈工程中，這個(gè)系統(tǒng)的重要元件是加速度計(jì)。加速度計(jì)的構(gòu)造和原理的示意圖如圖示，沿導(dǎo)彈長(zhǎng)度方向安裝的固定光滑桿上套一個(gè)質(zhì)量為m的滑塊，滑塊的兩側(cè)分別與勁度系數(shù)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(lái)靜止，彈簧處于自然長(zhǎng)度。滑塊上有指針，可通過(guò)標(biāo)尺測(cè)出滑塊的位移，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)。設(shè)某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運(yùn)動(dòng)，指針向左偏離O點(diǎn)的距離為S，則這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，其電阻均勻，兩端接在穩(wěn)壓電源U0上，當(dāng)導(dǎo)彈以加速度a沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與滑塊連接的滑動(dòng)片P產(chǎn)生位移，此時(shí)可輸出一個(gè)電信號(hào)U，作為導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源，為控制導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸入信息，試寫(xiě)出U與a 的函數(shù)關(guān)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(xí):可測(cè)量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)系統(tǒng)繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，元件A發(fā)生位移并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。已知A的質(zhì)量為m，彈簧的勁度系數(shù)為k、自然長(zhǎng)度為l，電源的電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻不計(jì)?；瑒?dòng)變阻器總長(zhǎng)也為l ，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時(shí)P在B點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，試寫(xiě)出輸出電壓U與ω的函數(shù)式。
A
S
P
C
B
ω
O
O′
輸出電壓U
解：設(shè)彈簧伸長(zhǎng)x , 則
kx=m ω2(l+x)
∴ x= m ω2 l ／ ( k-m ω2 )
設(shè)滑動(dòng)變阻器單位長(zhǎng)度
的電阻為r1
U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l
∴ U= Em ω2 ／(k-m ω2)
練習(xí)、 用如圖所示的裝置可以測(cè)量汽車(chē)在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度．該裝置是在矩形箱子的前、后壁上各安裝一個(gè)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(gè)質(zhì)量為2.0 kg的滑塊可無(wú)摩擦滑動(dòng)，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(xiàn)將裝置沿運(yùn)動(dòng)方向固定在汽車(chē)上，傳感器b在前，傳感器a在后．汽車(chē)靜止時(shí)，傳感器a、b在的示數(shù)均為 10 N（取g=10 m／s2）．
（1）若傳感器a的示數(shù)為 14 N、b的示數(shù)為6.0 N，求此時(shí)汽車(chē)的加速度大小和方向．
（2）當(dāng)汽車(chē)以怎樣的加速度
運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器a的示數(shù)為零．
解：（1）如圖所示，依題意：左側(cè)彈簧對(duì)滑塊向右的推力 F1=14N，右側(cè)彈簧對(duì)滑塊的向左的推力
F2=6.0 N．滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a1，根據(jù)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(shù)恰為零，即左側(cè)彈簧的彈力F1/=0，因兩彈簧相同，左彈簧伸長(zhǎng)多少，右彈簧就縮短多少，所以右彈簧的彈力變?yōu)镕2/=20N?；瑝K所受合力產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律得，a2=10m/s2，方向向左．
練習(xí)：將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個(gè)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)箱以a=2.0 m/s2的加速度豎直向上做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shù)是下底板
傳感器的示數(shù)的一半， 試判斷箱的運(yùn)
動(dòng)情況。
(2)要使上頂板傳感器的示數(shù)為零,箱
沿豎直方向運(yùn)動(dòng)的情況可能是怎樣的？
m
原來(lái)
（1）
（2）
解：
m
向上做勻減速運(yùn)動(dòng)a向下a=2m/s2
F=10N
F1 =6N
mg
a
mg+F1-F=ma
m=0.5kg
上頂板示數(shù)是下底板示數(shù)的1/2
彈簧長(zhǎng)度不變F=10N F2=5N
F
mg
F2
a2
mg+F2-F=ma2
a2=0
靜止或勻速運(yùn)動(dòng)
上頂板示數(shù)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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