实验十一传感器的简单应用.ppt

实验十一传感器的简单应用 要点归纳 实验目的 1 体会传感器在实际生活中的应用 2 了解斯密特触发器的工作特点 能够分析光控电路和温控电路的工作原理 实验原理 1 原理 通过对某一物理量敏感的元件 将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量 例如 光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号 热电传感器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号 2 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法 常用的分类方法有两个 1 按输入量分类 如输入量分别为温度 压力 位移 速度 加速度等非电学量时 相应的传感器称为温度传感器 压力传感器 位移传感器 速度传感器 加速度传感器 2 按传感器的工作原理分类 可分为电阻传感器 电容传感器 电感传感器 电压传感器 霍尔传感器 光电传感器 光栅传感器等 3 传感器的元件 制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻 霍尔元件等 1 光敏电阻 光敏电阻能把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 特性 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化 光照增强 电阻变小 光照减弱 电阻增大 工作原理 光敏电阻是用半导体材料制成的 硫化镉在无光时 载流子 导电电荷 极少 导电性能不好 随着光照的增强 载流子也增多 导电性能变好 2 热敏电阻和金属热电阻 热敏电阻或金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 特性 金属的电阻率随温度的升高而增大 用金属丝可以制作温度传感器 称为热电阻 有些半导体 电阻率随温度的变化非常明显 温度上升时 有些半导体的导电能力增强 图1 电阻 温度特性曲线 如图1所示 a金属导线 b热敏电阻 3 霍尔元件 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 特性 霍尔电压UH 式中d为薄片的厚度 k为霍尔系数 它的大小与薄片的材料有关 一个霍尔元件的d k为定值 再保持I恒定 则UH的变化就与B成正比 如图2所示 图2 工作原理 外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力 在导体板的一侧聚集 在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷 从而形成横向电场 横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力 当静电力与洛伦兹力达到平衡时 导体板左右两侧会形成稳定的电压 实验器材 斯密特触发器 光敏电阻 发光二极管 LED 可变电阻 定值电阻 热敏电阻 蜂鸣器 集成电路实验板 注意事项 由于集成电路允许通过的电流较小 要用白炽灯泡模仿路灯 就要使用继电器来启闭工作电路 典例剖析 例1 如图5甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图 其中上板为固定极板 下板为待测物体 在两极板间电压恒定的条件下 极板上所带电荷量Q将随待测物体的上下运动而变化 若Q随时间t的变化关系为Q a b为大于零的常数 其图象如图乙所示 那么图丙 图丁中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是 图3 A 和 B 和 C 和 D 和 本题解题的关键点是 1 电容器的基本公式U 2 匀强电场中满足E 3 根据函数确定图象大致形状 思路点拨 解析平行板电容器间电压恒定 板间场强E 故E Q 即E 故 可能正确 板间电荷量Q UC U 与已知Q随时间的变化关系对比可知d t a 即待测物体的运动为匀速运动 故 可能正确 答案C 变式练习1如图4所示是电饭锅的结构 试回答下列问题 1 开始煮饭时为什么要压下开关按钮 手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态 为什么 2 煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度 为什么 图4 3 饭熟后 水分被大米吸收 锅底的温度会有什么变化 这时电饭锅会自动地发生哪些动作 4 如果用电饭锅烧水 能否在水沸腾后自动断电 为什么 答案 1 开始煮饭时压下手动开关 使永磁体和感温磁体吸合 以保持触点接触 接通电热电路 手松开后这个按钮不会恢复到图示状态 因为永磁体与感温磁体相互吸引 弹簧的弹力不能使永磁体恢复原状态 2 水沸腾后 锅内的温度应大致保持在100 因为水的沸点是100 此时水分未被米吸收完 锅内水分较充足 所以能保持一段时间 3 饭熟后 水分被大米吸收 锅底温度会由100 升到103 达到居里点 此时开关按钮会自动弹起 断开加热电路 进入保温状态 因为锅底温度达到103 时 感温磁体失去磁性 永磁体再不能与它吸合 在弹簧的作用下 开关按钮恢复初始状态 4 如果用电饭锅烧水 水沸腾后不能自动断电 因为水沸腾的温度是100 而不能达到103 居里点 水将一直沸腾直到烧干 例2 如图5所示 图甲为热敏电阻的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温控电路 继电器的电阻为100 当线圈的电流大于或等于20mA时 继电器的衔铁被吸合 为继电器线圈供电的电池的电动势E 9 0V 内阻可以不计 图中的 电源 是恒温箱加热器的电源 问 图5 1 应该把恒温箱内的加热器接在 填 A B 端或 C D 端 2 如果要使恒温箱内的温度保持50 可变电阻R 的阻值应调节为 解析恒温箱内的加热器应接在A B端 当线圈中的电流较小时 继电器的衔铁在上方 恒温箱的加热器处于工作状态 恒温箱内温度升高 随着恒温箱内温度升高 热敏电阻R的阻值变小 则线圈中的电流变大 当线圈的电流大于或等于20mA时 继电器的衔铁被吸到下方来 则恒温箱加热器与电源断开 加热器停止工作 恒温箱内温度降低 随着恒温箱内温度降低 热敏电阻R的阻值变大 则线圈中的电流变小 当线圈的电流小于20mA时 继电器的衔铁又被释放到上方 则恒温箱加热器又开始工作 这样 就可以使恒温箱内保持在某一温度 要使恒温箱内的温度保持50 即50 时线圈内的电流为20mA 由闭合电路欧姆定律I r为继电器的电阻 由图甲可知 50 时热敏电阻的阻值为90 所以R R r 260 答案 1 A B端 2 260 变式练习2传感器担负着信息的采集任务 在自动控制中发挥着重要作用 传感器能够将感受到的物理量 如温度 光 声等 转换成便于测量的量 通常是电学量 例如热敏传感器 主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻 热敏电阻阻值随温度变化的图线如图6甲所示 图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图 问 图6 1 为了使温度过高时报警器铃响 c应接在 填a或b 2 若使启动报警的温度提高些 应将滑动变阻器滑片P点向移动 填左或右 3 如果在调试报警器达最低报警温度时 无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作 且电路连接完好 各电路元件都能处于工作状态 则造成工作电路实际不能工作的原因可能是 答案 1 a 2 左 3 可能是乙图中左边电源电压太低或者线圈的匝数太少或者弹簧的劲度系数太大等 例3 如图7所示为某种电子秤的原理示意图 AB为一均匀的滑动变阻器 阻值为R 长度为L 两边分别有P1 P2两个滑动头 P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动 弹簧处于原长时 P1刚好指着A端 P1与托盘固定相连 若P1 P2间出现电压时 该电压经过放大 通过信号转换器后在显示屏上可显示物体重力的大小 已知弹簧的劲度系数为k 托盘自身质量为m0 电源电动势为E 内阻不计 当地的重力加速度为g 求 图7 1 托盘尚未放物体时 在托盘自身重力作用下 P1离A的距离x1 2 托盘上放有质量为m的物体时 P1离A的距离x2 3 在托盘上未放物体时通常先校准零点 其方法是 调节P2 使P2离A的距离也为x1 从而使P1 P2间的电压为零 校准零点后 将物体m放在托盘上 试推导出物体质量m与P1 P2间的电压U之间的函数关系式 解析 1 弹簧处于原长时 P1刚好指着A端 在托盘自身重力作用下 托盘自身质量为m0 P1离A的距离为x1 由力学平衡知识得m0g kx1 解得x1 2 由受力分析可知 m0g mg kx2 解得x2 3 当托盘上放有质量为m的物体时 P1离P2的距离为x2 x1 滑动变阻器与电源组成的电路中电流恒定 电源内阻不计 由闭合电路欧姆定律可知I P1 P2间电压U IR12 x2 x1 可解得m 答案 1 2 3 m 例4 用如图8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 后壁上各安装一个由力敏电阻组合成的压力传感器 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的液晶显示屏上读出 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 g取10m s2 1 若传感器a的示数为14N b的示数为6 0N 求此时汽车的加速度大小和方向 2 当汽车以怎样的加速度运动时 传感器a的示数为零 图8 解析传感器上所显示出力的大小 即弹簧对传感器的压力 据牛顿第三定律知 此即为弹簧上的弹力大小 亦即该弹簧对滑块的弹力大小 1 如右图所示 依题意 左侧弹簧对滑块向右的推力F1 14N 右侧弹簧对滑块的向左的推力F2 6 0N 3分 滑块所受合力产生加速度a1 根据牛顿第二定律有F1 F2 ma1 3分 得a1 m s2 4m s2 2分 a1与F1同方向 即向前 向右 2分 2 a传感器的读数恰为零 即左侧弹簧的弹力F1 0 因两弹簧相同 左弹簧伸长多少 右弹簧就缩短多少 所以右弹簧的弹力变为F2 20N 3分 滑块所受合力产生加速度 由牛顿第二定律得F合 F2 ma2 3分 得a2 10m s2负号表示方向向后 向左 2分 答案 1 4m s2向右 2 10m s2向左 素能提升 1 关于传感器的下列说法正确的是 A 所有传感器的材料都是由半导体材料做成的B 金属材料也可以制成传感器C 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D 以上说法都不正确解析半导体材料可以制成传感器 其他材料也可以制成传感器 如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计 所以A错 B正确 传感器不但能感知电压的变化 还能感受力 温度 光 声 化学成分等非电学量 所以C错 B 2 在街旁的路灯 江海里的航标都要求在夜晚亮 白天熄 利用半导体的电学特性制成了自动点亮 熄灭的装置 实现了自动控制 这是利用半导体的 A 压敏性B 光敏性C 热敏性D 三种特性都利用解析街旁的路灯和江海里的航标 都是利用了半导体的光敏性 夜晚电阻大 白天电阻小 控制了电路的通断 B 3 下列说法中正确的是 A 话筒是一种常用的声音传感器 其作用是将电信号转换为声信号B 电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器 这种传感器的作用是控制电路的通断C 电子秤所使用的测力装置是力传感器D 半导体热敏电阻常用作温度传感器 因为温度越高 它的电阻值越大解析话筒是将声信号转换为电信号 A错误 半导体热敏电阻常用作温度传感器 因为温度越高 它的电阻值越小 D错误 BC 4 在如图9所示的电路中 电源两端的电压恒定 L为小灯泡 R为光敏电阻 LED为发光二极管 电流越大 发出的光越强 且R与LED相距不变 下列说法正确的是 A 当滑动触头P向左移动时 L消耗的功率增大B 当滑动触头P向左移动时 L消耗的功率减小C 当滑动触头P向右移动时 L消耗的功率可能不变D 无论怎样移动触头P L消耗的功率都不变 图9 解析触头P左移 使其电阻减小 流过二极管的电流增大 从而发光增强 使光敏电阻R减小 最终达到增大流过灯泡电流的效果 答案A 5 如图10所示 是一个测定液体高度的传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质 放在导电液中 导线芯和导电液构成电容器的两极 把这两极接入外电路 当外电路中的电流变化使电容值增大时 则导电液体深度h变化为 A h增大B h减小C h不变D 无法确定 图10 解析由题意知 导线芯和导电液体构成电容器的两极 类似于平行板电容器的两极 当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化 会引起电容的变化 与平行板电容器类比可得 导电液体深度h增大时 导线芯和导电液体正对面积增大 电容器的电容值变大 答案A 6 一热敏电阻阻值随温度变化的图象如图11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 并且说明滑动变阻器的作用 图11 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 滑动变阻器一只 红 绿指示灯各一个 两个独立的电池组 开关两个 导线若干 答案 1 设计的电路图如下图所示 2 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 返回