魯科版選修32 大顯身手的傳感器 課件（33張）.ppt

第3節(jié)大顯身手的傳感器 1 能列舉傳感器在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用 2 理解壓力傳感器的原理 并在實(shí)際問(wèn)題中了解其應(yīng)用 3 了解自動(dòng)門(mén)和指紋識(shí)別器的工作原理 動(dòng)觸片 體積 紅外線 繼電器 3 指紋識(shí)別器 電容式傳感器指紋識(shí)別器是通過(guò)電容傳感器來(lái)識(shí)別指紋的 當(dāng)正對(duì)面積 介電常數(shù)一定時(shí) 電容與兩極間距離是一一對(duì)應(yīng)的 此識(shí)別器表面集合了300 300個(gè)電容器極板 其外面是絕緣介質(zhì) 手指的皮膚是電容器的另一極板 由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極的距離不同 使電容陣列中不同位置的電容也不相同 通過(guò)讀取這些電容的數(shù)值就能獲得指紋信息 再把此信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比 就可以實(shí)現(xiàn)指紋的識(shí)別 感覺(jué)器官 外部傳感器 內(nèi)部傳感器 1 洗衣機(jī)水位控制裝置全自動(dòng)洗衣機(jī)的水位控制裝置 是使用壓力傳感器來(lái)工作的 圖5 3 2 a 中1和2分別是洗衣機(jī)的外筒和內(nèi)筒 3是氣室 4是傳感器的膜盒 氣室下部與外筒連通 上部與軟管 傳感器的膜盒 圖中圓框內(nèi) 連通 向內(nèi)筒中注水時(shí) 水通過(guò)內(nèi)筒壁上的小孔流入外筒 部分水進(jìn)入氣室 氣室內(nèi)被密封的空氣壓強(qiáng)增大 使傳感器的膜片向上凸起 如圖5 3 2 b 當(dāng)筒中水位到達(dá)設(shè)定的高度時(shí) 凸起的膜片使動(dòng)觸點(diǎn)a與靜觸點(diǎn)b脫離 并與靜觸點(diǎn)c接觸 從而接通控制電路 關(guān)閉進(jìn)水電磁閥門(mén) 接通洗滌電動(dòng)機(jī)電源 開(kāi)始洗滌衣物 采用壓力傳感器的還有電子秤 它主要由應(yīng)變片 電壓放大器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 微處理器和數(shù)字顯示器等組成 當(dāng)應(yīng)變片受到力的作用時(shí) 它將發(fā)生彎曲形變 應(yīng)變片的作用是將形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量 應(yīng)變片的測(cè)力原理 如圖5 3 3所示 彈簧鋼制成的梁形元件右端固定 在梁的上下表面各貼一個(gè)應(yīng)變片 在梁的自由端施加力f 則梁發(fā)生彎曲 上表面拉伸 下表面壓縮 上表面應(yīng)變片的電阻變大 下表面應(yīng)變片的電阻變小 f越大 應(yīng)變片的彎曲形變?cè)酱?應(yīng)變片的阻值變化就越大 如果讓?xiě)?yīng)變片中通過(guò)的電流保持恒定 那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大 下面應(yīng)變片兩端的電壓變小 傳感器把這兩個(gè)電壓的差值輸出 外力越大 輸出的電壓差值也就越大 應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量 2 自動(dòng)門(mén)控制這種自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)的 是一種紅外線傳感器 它能夠探測(cè)到較遠(yuǎn)距離的人體發(fā)出的紅外線 自動(dòng)門(mén)的工作流程如圖5 3 4所示 當(dāng)有人接近自動(dòng)門(mén)時(shí) 傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線 產(chǎn)生電壓輸出信號(hào) 信號(hào)經(jīng)過(guò)電路處理后 使定時(shí)器工作 由定時(shí)器構(gòu)成的電路使繼電器通電 自動(dòng)門(mén)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 門(mén)自動(dòng)打開(kāi) 當(dāng)人通過(guò)自動(dòng)門(mén)幾秒鐘后 定時(shí)器又使繼電器斷電 自動(dòng)門(mén)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 門(mén)自動(dòng)關(guān)閉 紅外接收管這個(gè)光傳感器是將斷續(xù)的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào) 輸出一種數(shù)字量 適于計(jì)算機(jī)接收和處理 3 指紋識(shí)別器指紋識(shí)別器就是應(yīng)用電容傳感器的裝置之一 指紋識(shí)別器表面集合了300 300個(gè)電容器極板 其外表面是絕緣表面 當(dāng)用戶的手指放在絕緣表面上時(shí) 皮膚就組成了電容陣列極板的另一面 圖5 3 5 由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同 使電容陣列中不同位置的電容器的電容值也不相同 通過(guò)讀取這些電容的差異 就能夠獲取指紋信息 這樣 就把指紋的信息轉(zhuǎn)化成了電信號(hào) 再經(jīng)過(guò)電路對(duì)電信號(hào)的比較 就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋的識(shí)別 4 傳感器與機(jī)器人傳感器系統(tǒng)是機(jī)器人的感覺(jué)器官 可以分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器 外部傳感器用于感知外部工作環(huán)境和外界事物對(duì)機(jī)器人的刺激 視覺(jué)傳感器 主要是攝像機(jī) 是機(jī)器人的 眼睛 它可以測(cè)量物體的距離 識(shí)別物體的形狀 顏色等 超聲波傳感器 語(yǔ)音識(shí)別裝置等是機(jī)器人的 耳朵 溫度傳感器相當(dāng)于人的皮膚 機(jī)器人通過(guò)它感知環(huán)境溫度的變化 除此之外 外部傳感器還包括嗅覺(jué)傳感器 味覺(jué)傳感器等 內(nèi)部傳感器 如角度傳感器 關(guān)節(jié)傳感器等 用于檢測(cè)機(jī)器人自身的狀態(tài) 它安裝在驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi) 用以測(cè)量手臂 手爪等的位置和運(yùn)動(dòng)的速度 以控制機(jī)器人精確定位和平穩(wěn)運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)未來(lái)機(jī)器人的高智能化 依賴于傳感器技術(shù)的提高 典例1 如圖5 3 6是某同學(xué)在科技制作活動(dòng)中自制的電子秤原理圖 利用電壓表 內(nèi)電阻很大 的示數(shù)來(lái)指示物體的質(zhì)量 托盤(pán)與電阻可忽略的彈簧相連 托盤(pán)與彈簧的質(zhì)量均不計(jì) 滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端與彈簧上端連接 當(dāng)托盤(pán)中沒(méi)有放物體時(shí) 電壓表的示數(shù)為零 設(shè)變阻器的總電阻為r 總長(zhǎng)度為l 電源電動(dòng)勢(shì)為e 內(nèi)阻為r 限流電阻為r0 彈簧的勁度系數(shù)為k 若不計(jì)一切摩擦和其他阻力 1 求出電壓表示數(shù)ux與所稱物體質(zhì)量m的關(guān)系式為ux 2 由 1 的計(jì)算結(jié)果可知 電壓表示數(shù)與待測(cè)物體質(zhì)量不成正比 不便于制作刻度 為使電壓表示數(shù)與待測(cè)物體質(zhì)量成正比 請(qǐng)利用原有器材進(jìn)行改進(jìn) 在上圖的基礎(chǔ)上完成改進(jìn)后的電路原理圖 并得出電壓表示數(shù)ux與待測(cè)物體質(zhì)量m的關(guān)系式為ux 借題發(fā)揮力傳感器能夠把物體的形變轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化 外力越大 電壓或電流的變化就越大 由變化的差值大小 可以得知外力的大小 力傳感器的種類很多 在具體應(yīng)用中 能依據(jù)其特性 綜合利用其它知識(shí)進(jìn)行分析與計(jì)算 變式1 傳感器是一種采集信息的重要器件 如圖5 3 7所示的是一種測(cè)定壓力的電容式傳感器 當(dāng)待測(cè)壓力f作用于可動(dòng)膜片的電極上時(shí) 以下說(shuō)法中正確的是 若f向上壓膜片電極 電路中有從a到b的電流 若f向上壓膜片電極 電路中有從b到a的電流 若f向上壓膜片電極 電路中不會(huì)出現(xiàn)電流 若電流表有示數(shù) 則說(shuō)明壓力f發(fā)生變化 若電流表有示數(shù) 則說(shuō)明壓力f不發(fā)生變化a b c d 解析當(dāng)f向上壓膜片電極時(shí) 板間距離減小 電容器的電容將增大 當(dāng)f變化時(shí) 電容變化 而板間電壓不變 由q cu 故帶電荷量q發(fā)生變化 電容器將發(fā)生充 放電現(xiàn)象 回路中有電流 電流計(jì)有示數(shù) 反之 電流計(jì)有示數(shù)時(shí) 壓力f必發(fā)生變化 答案a 典例2 如圖5 3 8所示為一實(shí)驗(yàn)小車中利用光電脈沖測(cè)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(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)出小車的速度和行程還必須測(cè)量的物理量和數(shù)據(jù)是 小車速度的表達(dá)式為v 行程的表達(dá)式為s 借題發(fā)揮光傳感器的基本原理都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 與電路結(jié)合 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 常見(jiàn)的光傳感器有 光敏電阻 光電二極管 光電三極管等 變式2 在電梯門(mén)口放置一障礙物 會(huì)發(fā)現(xiàn)電梯門(mén)不停地開(kāi)關(guān) 這是由于在電梯門(mén)上裝有的傳感器是 a 光傳感器b 溫度傳感器c 聲傳感器d 壓力傳感器解析在電梯門(mén)口放置一障礙物 電梯門(mén)不停地開(kāi)關(guān) 說(shuō)明電梯門(mén)口有一個(gè)光傳感器 故a選項(xiàng)正確 答案a 答案a 借題發(fā)揮電容器的電容c決定于極板正對(duì)面積s 極板間距離d 以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素 如果某一物理量 如角度 位移s 深度h等 的變化能引起以上某個(gè)因素的變化 從而引起電容的變化 那么 通過(guò)測(cè)定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化 變式3 如圖5 3 9所示為一測(cè)定液面高低的電容傳感器的示意圖 a為固定的導(dǎo)體芯 b為導(dǎo)體芯外面的一層絕緣物質(zhì) c為導(dǎo)電液體 把傳感器接到圖示電路中 已知靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向相同 如果發(fā)現(xiàn)指針向右偏轉(zhuǎn) 則導(dǎo)電液體的深度h的變化為 a h正在增大b h正在減小c h不變d 無(wú)法確定 答案b 力傳感器1 電子秤使用的是 a 超聲波傳感器b 壓力傳感器c 溫度傳感器d 紅外傳感器答案b 2 關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器說(shuō)法正確的是 a 應(yīng)變片是由導(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解析應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成 故選項(xiàng)a錯(cuò) b對(duì) 傳感器輸出的是應(yīng)變片上 下兩表面的電壓差 并且隨著外力的增大 輸出的電壓差值也就增大 故c錯(cuò) d對(duì) 答案bd 解析滑動(dòng)觸頭p左移 使其電阻減小 流過(guò)二極管的電流增大 從而發(fā)光增強(qiáng) 使光敏電阻r減小 最終達(dá)到增大流過(guò)燈泡的電流的效果 答案a 4 如圖5 3 11為煙霧散射式火災(zāi)報(bào)警器 它主要由帶孔的外罩 發(fā)光二極管led 光電三極管及不透明的擋板組成 請(qǐng)簡(jiǎn)述它的工作原理 解析報(bào)警器工作時(shí)發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài) 由于擋板遮擋