传感器的应用

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,2014/2/20,#,传感器的应用,1.,力电传感器,力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及,ABS,防抱死制动系统等。,（,1,）测物体的质量,（,2,）测物体加速度,（,3,）测物体角速度,（,4,）测 力,（,5,）测 位 移,应变式力传感器,应变电桥,弹性梁,力传感器的应用,电子秤,力传感器,（,1,）,测物体的质量,E,P,A,S,B,R,0,A,P,A,S,B,R,0,V,E,（,2,）,测物体加速度,加速度计是测定物体加速度的仪器,它已成为导弹、飞机、潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。如图为应变式加速度计示意图,当系统加速时,加速度计中的敏感元件也处于加速状态,敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上,支架与待测系统固定在一起,敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器,R,上自由滑动,当系统加速运动时,敏感元件发生位移,并转化为电信号输出。,敏感,元件,输出,信号,E,R,例,:,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，为控制导弹运动状态输入信息，试写出,U,与,a,的函数关系式。,0,10,10,U,P,U,0,解,：,a,=2kS/m,S=m,a,/2k,U=U,0,R,x,/R=U,0,S/L,=m,a,U,0,/2kL,=mU,0,a,/2kL,a,或,a,=2kLU,mU,0,例,1,、,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。,1.,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,2k S/m,D.,方向向右，大小为,2k S/m,D,0,10,10,U,P,角速度计,（,3,）测物体角速度,可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。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,与角速度,的函数式。,A,S,P,C,B,O,O,输出电压,U,解,：设弹簧伸长,x,则,kx=m,2,(,l,+x),x=m,2,l,(k-m,2,),U=Ex/,l,U=Em,2,(k-m,2,),（,4,）测 力,风力测定仪,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：,R,0,O,P,D,C,C,A,电源,风力大小,F,与,的关系式；,风力大小,F,与电流表示数,I,的关系式,.,此装置所测定的最大风力是多少？,（,5,）测 位 移,传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用。如计算机鼠标中有位移传感器，电熨斗、电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器,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,2003,年上海理综,10.,V,-,x,O,x,M,p,B,温度传感器的应用,电熨斗,双金属片温度传感器,：,常温下两触点分离。温度升高，两种金属线胀系数不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。,电烫斗的工作原理,火柴点灯泡实验,双金属温度计,火灾报警器,感温铁氧体的“居里点”,：,感温铁氧体在温度升高到,103,时失去铁磁性，该温度称为这种材料的“居里点”。,温度传感器的应用,电饭锅,卡西欧测温手表,温度传感器的应用,测温仪,红外线敏感元件制成的感温设备,2.,热电传感器,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,如各种家用电器,(,空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等,),的温度控制、火警报警器、恒温箱等。,例题：,如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中,R,2,为用负电阻温度系数半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，,a,、,b,之间接报警器。当传感器,R,2,所在处出现火情时，显示器的电流,I,、报警器两端的电压,U,的变化情况是（,）,A.,I,变大，,U,变大,B.,I,变小，,U,变小,C,.,I,变小，,U,变大,D.,I,变大，,U,变小,R,1,R,2,R,3,A,a,b,E,r,解：,出现火情时温度升高，,R,2,减小，,R,总,减小，,I,总,增大，,U,ab,减小，,U,并,减小，,I,A,减小，,B,光机式鼠标的工作原理,发光二极管,译码轮,LED,红外接收管,光传感器的应用,鼠标,平时，发光二极管发出的光被不透明挡板挡住。有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作。,光传感器的应用,火灾报警器,3.,光电传感器,光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。,05,年盐城二模,9.,光敏电阻自动计数器的示意图,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,:,当有光照射,R,1,时,信号处,理系统获得较高电压,B.,当有光照射,R,1,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,较低电压就记数一次,D.,信号处理系统每获得一次较高电压就记数一次,R,1,R,2,信号处理系统,B D,声振动,-,交变电压,声传感器的应用,话筒,原理,动圈式话筒,：,电磁感应,膜片在声波下振动，使得与膜片相连的线圈在磁场中产生周期性变化的感应电流。,动圈式话筒的构造,动圈式话筒 电容式话筒 驻极体话筒,种类,电容式话筒,：,金属膜片,M,和固定电极,N,形成一 个电容器，,M,在声波作用下振动，电容器的电容作周期性变化，电阻,R,两端的电压也做相应的周期性变化。,极板距离变化,-,电容变化,声传感器的应用,话筒,驻极体话筒,4.,声电传感器,例题：（,2003,上海理综,11,）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,电容式传感器,电容式传感器,极距型,面积型,介质型,定片,动片,电容式传感器,电容器的电容,C,决定于极板的正对面积,S,、极板间距离,d,以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器。,图甲是测量,的电容式传感器，原理是,。,定片,甲,角度,由于,CS,，动片与定片间的角度,发生变化时，引起,S,的变化，通过测出,C,的变化，测量动片与定片间的夹角,图乙是测量,的电容式传感器，原理是,。,金属芯线,电介质,导电液体,乙,h,液面高度,h,由于,CS,，,h,发生变化，金属芯线和导电液体组成的电容发生变化，通过测定,C,的变化，可以测量液面高度,h,的变化,。,图丙是测量,的电容式传感器，原理是,。,固定电极,可动电极,F,丙,压力,F,由于,C1/d,，压力,F,作用在可动电极上，引起极板间距,d,的变化，通过测出,C,的变化，测量压力,F,的变化。,图丁是测量,的电容式传感器，原理是,。,极板,电介质,丁,x,位移,x,由于,C,随着电介质进入极板间的长度发生变化，,通过测出,C,的变化，测量位移,x,的变化。,电容式键盘,IBM Thinkpad,的,指纹识别传感器,指纹识别传感器,指纹识别传感器,6.,电感传感器,电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。,实例：磁性物质探测报警器,录音机,N,S,例,3,、,为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的,(,测量仪未画出,),。当列车经过线圈上方时,线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。假设磁体端部磁感强度为,B=0.004T,且全部集中在端面范围内，与端面垂直，,磁体宽度与线圈宽度相同,，且都很小，线圈匝数,n=5,，长,L=0.2m,电阻,0.4(,包括引线电阻,),，测试记录下来的电流,位移如图所示。试求：,在离,O(,原点,)30m,130m,处列车的速度,v,1,和,v,2,的大小,假设列车是匀变速运动，求列车加速度的大小,i,/A,100,50,150,0.15,0.10,0.05,-0.05,-0.10,-0.15,S/m,0,S,O,B,解：,I=E/R=nBLv/R,v=IR/nBL=0.4I,50.0040.2=100I,在,30m,处，,I,1,=0.12A,v,1,=12m/s,在,130m,处，,I,2,=0.15A,v,2,=15 m/s,a,=,（,v,2,2,-v,1,2,）,/2S,=0.405 m/s,2,例,4,、,用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。,a,e,d,c,b,解,：热敏电阻受到光照射时电阻变小，将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的,a,、,b,端，如图示：,将学生用电源与电铃分别接入,c,、,d,、,e,之间。,正常时热敏电阻值大，,ab,间电流小，磁性弱，,ce,处于闭合，绿灯亮。,有险情时，光敏电阻值小,ab,间电流大,磁性强,吸住衔铁,cd,闭合,ce,断开,绿灯灭,电铃响。,练习,1,、,用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控制路灯的实验电路。要求是：光暗时灯亮，光亮时灯灭。可供选择的器材如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、