實驗十一 傳感器的簡單應用

1、實驗十一 傳感器的簡單應用要點歸納【實驗目的】1.體會傳感器在實際生活中的應用.2.了解斯密特觸發(fā)器的工作特點,能夠分析光控電路和溫控電路的工作原理.【實驗原理】 1.原理:通過對某一物理量敏感的元件,將感受到的物理量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量的量.例如,光電傳感器利用光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)換成電信號;熱電傳感器利用熱敏電阻將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號.12.傳感器的分類:目前對傳感器尚無一個統(tǒng)一的分類方法,常用的分類方法有兩個: (1)按輸入量分類,如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度等非電學量時,相應的傳感器稱為 溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器.(2)按傳感器的工

2、作原理分類,可分為電阻傳感器、 電容傳感器、電感傳感器、電壓傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、光柵傳感器等.3.傳感器的元件:制作傳感器時經(jīng)常使用的元件有光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、霍爾元件等.2(1)光敏電阻:光敏電阻能把光照強弱這個光學量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量. 特性:光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化.光照增強,電阻變小;光照減弱,電阻增大. 工作原理:光敏電阻是用半導體材料制成的,硫化鎘在無光時,載流子(導電電荷)極少,導電性能不好;隨著光照的增強,載流子也增多,導電性能變好.(2)熱敏電阻和金屬熱電阻:熱敏電 阻或金屬熱電阻能把溫度這個熱學 量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學量. 特性:金屬的電阻率

3、隨溫度的升高而增大,用金屬 絲可以制作溫度傳感器,稱為熱電阻.有些半導體,電 阻率隨溫度的變化非常明顯;溫度上升時,有些半導體的導電能力增強.圖13電阻溫度特性曲線(如圖1所示)a金屬導線;b熱敏電阻.3.霍爾元件:霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學量.特性:霍爾電壓UH= ,式中d為薄片的厚度,k為霍爾系數(shù),它的大小與薄片的材料有關(guān).一個霍爾元件的d、k為定值,再保持I恒定,則UH的變化就與B成正比(如圖2所示).圖24工作原理:外部磁場使運動的載流子受到洛倫茲力,在導體板的一側(cè)聚集,在導體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的另一種電荷,從而形成橫向電場;橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向

4、相反的靜電力.當靜電力與洛倫茲力達到平衡時,導體板左右兩側(cè)會形成穩(wěn)定的電壓.【實驗器材】 斯密特觸發(fā)器、光敏電阻、發(fā)光二極管(LED)、可變電阻、定值電阻、熱敏電阻、蜂鳴器、集成電路實驗板.【注意事項】 由于集成電路允許通過的電流較小,要用白熾燈泡模仿路燈,就要使用繼電器來啟閉工作電路.5典例剖析【例1】 如圖5甲是某同學設(shè)計的電容式速度傳感器原理圖,其中上板為固定極板,下板為待測物體,在兩極板間電壓恒定的條件下,極板上所帶電荷量Q將隨待測物體的上下運動而變化.若Q隨時間t的變化關(guān)系為Q= （a、b為大于零的常數(shù)）,其圖象如圖乙所示,那么圖丙、圖丁中反映極板間場強大小E和物體速率v隨t變化的圖

5、線可能是（）6圖37A.和B.和C.和D.和 本題解題的關(guān)鍵點是(1)電容器的基本公式U= .(2)勻強電場中滿足E= .(3)根據(jù)函數(shù)確定圖象大致形狀.思路點撥8解析 平行板電容器間電壓恒定,板間場強E= ,故EQ,即E ,故可能正確.板間電荷量Q=UC=U ,與已知Q隨時間的變化關(guān)系對比可知d(t+a),即待測物體的運動為勻速運動,故可能正確.答案 C9變式練習1 如圖4所示是電飯鍋的結(jié)構(gòu),試回答下列問題:(1)開始煮飯時為什么要壓下開關(guān)按鈕？手松開后這個按鈕是否會恢復到圖示的狀態(tài)？為什么？(2)煮飯時水沸騰后鍋內(nèi)是否會大致保持一定的溫度?為什么?圖410(3)飯熟后,水分被大米吸收.鍋底

6、的溫度會有什么變化?這時電飯鍋會自動地發(fā)生哪些動作? (4)如果用電飯鍋燒水,能否在水沸騰后自動斷電?為什么?答案 (1)開始煮飯時壓下手動開關(guān),使永磁體和感溫磁體吸合,以保持觸點接觸,接通電熱電路;手松開后這個按鈕不會恢復到圖示狀態(tài),因為永磁體與感溫磁體相互吸引,彈簧的彈力不能使永磁體恢復原狀態(tài).(2)水沸騰后,鍋內(nèi)的溫度應大致保持在100,因為水的沸點是100,此時水分未被米吸收完,鍋內(nèi)水分較充足,所以能保持一段時間.11(3)飯熟后,水分被大米吸收,鍋底溫度會由100升到103,達到居里點,此時開關(guān)按鈕會自動彈起,斷開加熱電路,進入保溫狀態(tài).因為鍋底溫度達到103時,感溫磁體失去磁性,永

7、磁體再不能與它吸合,在彈簧的作用下,開關(guān)按鈕恢復初始狀態(tài).(4)如果用電飯鍋燒水,水沸騰后不能自動斷電,因為水沸騰的溫度是100,而不能達到103(居里點),水將一直沸騰直到燒干.12【例2】 如圖5所示,圖甲為熱敏電阻的Rt圖象,圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路,繼電器的電阻為100 .當線圈的電流大于或等于20 mA時,繼電器的銜鐵被吸合.為繼電器線圈供電的電池的電動勢E=9.0 V,內(nèi)阻可以不計.圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源.問:圖513(1)應該把恒溫箱內(nèi)的加熱器接在 (填“A、B”端或“C、D”端).(2)如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持50,可變電阻R的阻值

8、應調(diào)節(jié)為 .14解析 恒溫箱內(nèi)的加熱器應接在A、B端.當線圈中的電流較小時,繼電器的銜鐵在上方,恒溫箱的加熱器處于工作狀態(tài),恒溫箱內(nèi)溫度升高.隨著恒溫箱內(nèi)溫度升高,熱敏電阻R的阻值變小,則線圈中的電流變大,當線圈的電流大于或等于20 mA時,繼電器的銜鐵被吸到下方來,則恒溫箱加熱器與電源斷開,加熱器停止工作,恒溫箱內(nèi)溫度降低.隨著恒溫箱內(nèi)溫度降低,熱敏電阻R的阻值變大,則線圈中的電流變小,當線圈的電流小于20 mA時,繼電器的銜鐵又被釋放到上方,則恒溫箱加熱器又開始工作,這樣15就可以使恒溫箱內(nèi)保持在某一溫度.要使恒溫箱內(nèi)的溫度保持50,即50時線圈內(nèi)的電流為20 mA.由閉合電路歐姆定律I

9、= ,r為繼電器的電阻.由圖甲可知,50時熱敏電阻的阻值為90 ,所以R= -R-r=260 .答案 (1)A、B端 (2)26016變式練習2 傳感器擔負著信息的采集任務,在自動控制中發(fā)揮著重要作用,傳感器能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹?如溫度、光、聲等)轉(zhuǎn)換成便于測量的量(通常是電學量),例如熱敏傳感器,主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻.熱敏電阻阻值隨溫度變化的圖線如圖6甲所示,圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡單自動報警器的線路圖.問:圖617(1)為了使溫度過高時報警器鈴響,c應接在 (填a或b).(2)若使啟動報警的溫度提高些,應將滑動變阻器滑片P點向 移動(填左或右).(3)如果在調(diào)

10、試報警器達最低報警溫度時,無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作,且電路連接完好,各電路元件都能處于工作狀態(tài),則造成工作電路實際不能工作的原因可能是 .答案 (1)a (2)左 (3)可能是乙圖中左邊電源電壓太低或者線圈的匝數(shù)太少或者彈簧的勁度系數(shù)太大等18【例3】 如圖7所示為某種電子秤的原理示意圖,AB為一均勻的滑動變阻器,阻值為R,長度為L,兩邊分別有P1、P2兩個滑動頭,P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動,彈簧處于原長時,P1剛好指著A端,P1與托盤固定相連,若P1、P2間出現(xiàn)電壓時,該電壓經(jīng)過放大,通過信號轉(zhuǎn)換器后在顯示屏上可顯示物體重力的大小.已知

11、彈簧的勁度系數(shù)為k,托盤自身質(zhì)量為m0,電源電動勢為E,內(nèi)阻不計,當?shù)氐闹亓铀俣葹間.求：19圖7 (1)托盤尚未放物體時,在托盤自身重力作用下,P1離A的距離x1.(2)托盤上放有質(zhì)量為m的物體時,P1離A的距離x2.20(3)在托盤上未放物體時通常先校準零點,其方法是：調(diào)節(jié)P2,使P2離A的距離也為x1,從而使P1、P2間的電壓為零.校準零點后,將物體m放在托盤上,試推導出物體質(zhì)量m與P1、P2間的電壓U之間的函數(shù)關(guān)系式.解析 (1)彈簧處于原長時,P1剛好指著A端,在托盤自身重力作用下(托盤自身質(zhì)量為m0),P1離A的距離為x1,由力學平衡知識得m0g=kx1解得x1=(2)由受力分析

12、可知:m0g+mg=kx2解得x2=21(3)當托盤上放有質(zhì)量為m的物體時,P1離P2的距離為x2-x1=滑動變阻器與電源組成的電路中電流恒定,電源內(nèi)阻不計,由閉合電路歐姆定律可知I= P1、P2間電壓U=IR12= (x2-x1)=可解得m=答案 (1) (2) (3)m=22【例4】用如圖8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合成的壓力傳感器,用兩根相同的輕彈簧夾著一個質(zhì)量為2.0 kg的滑塊,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(xiàn)將裝置沿運動方向固定

13、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的示數(shù)均為10 N.(g取10 m/s2) 23(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(shù)為零.圖824解析 傳感器上所顯示出力的大小,即彈簧對傳感器的壓力,據(jù)牛頓第三定律知,此即為彈簧上的彈力大小,亦即該彈簧對滑塊的彈力大小.(1)如右圖所示,依題意：左側(cè)彈簧對滑塊向右的推力F1=14 N,右側(cè)彈簧對滑塊的向左的推力F2=6.0 N.(3分)滑塊所受合力產(chǎn)生加速度a1,根據(jù)牛頓第二定律有F1-F2=ma1 (3分)得a1= m/s2=4 m

14、/s2(2分)a1與F1同方向,即向前(向右).(2分)25(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,左彈簧伸長多少,右彈簧就縮短多少,所以右彈簧的彈力變?yōu)镕2=20 N.(3分)滑塊所受合力產(chǎn)生加速度,由牛頓第二定律得F合=F2=ma2(3分)得a2= =-10 m/s2負號表示方向向后(向左).(2分)答案 (1)4 m/s2 向右 (2)10 m/s2 向左26素能提升1.關(guān)于傳感器的下列說法正確的是()A.所有傳感器的材料都是由半導體材料做成的B.金屬材料也可以制成傳感器C.傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號的D.以上說法都不正確解析 半導體材料可以制成

15、傳感器,其他材料也可以制成傳感器,如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計,所以A錯,B正確,傳感器不但能感知電壓的變化,還能感受力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,所以C錯.B272.在街旁的路燈,江海里的航標都要求在夜晚亮,白天熄,利用半導體的電學特性制成了自動點亮、熄滅的裝置,實現(xiàn)了自動控制,這是利用半導體的 ( )A.壓敏性B.光敏性C.熱敏性D.三種特性都利用解析 街旁的路燈和江海里的航標,都是利用了半導體的光敏性,夜晚電阻大,白天電阻小,控制了電路的通斷.B283.下列說法中正確的是()A.話筒是一種常用的聲音傳感器,其作用是將電信號 轉(zhuǎn)換為聲信號B.電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝

16、有雙金屬 片溫度傳感器,這種傳感器的作用是控制電路的通斷C.電子秤所使用的測力裝置是力傳感器D.半導體熱敏電阻常用作溫度傳感器,因為溫度越高, 它的電阻值越大解析 話筒是將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,A錯誤.半導體熱敏電阻常用作溫度傳感器,因為溫度越高,它的電阻值越小,D錯誤. BC294.在如圖9所示的電路中,電源兩端的電壓恒定,L為小燈泡,R為光敏電阻,LED為發(fā)光二極管(電流越大,發(fā)出的光越強),且R與LED相距不變,下列說法正確的是()A.當滑動觸頭P向左移動時,L消耗的功率增大B.當滑動觸頭P向左移動時,L消耗的功率減小C.當滑動觸頭P向右移動時,L消耗的功率可能不變D.無論怎樣移動觸頭P,L消耗的功率都不變圖930解析 觸頭P左移,使其電阻減小,流過二極管的電流增大,從而發(fā)光增強,使光敏電阻R減小,最終達到增大流過燈泡電流的效果.答案 A315.如圖10所示,是一個測定液體高度的傳感器,在導線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì),放在導電液中,導線芯和導電液構(gòu)成電容器的兩極,把這兩極接入外電路,當外電路中的電流變化使電容值增大時,則導電液體深度h變化為()A.h增大B.h減小C.h不變D.無法確定圖1032解析 由題意知,導線芯和導電液體構(gòu)成電容器的兩極,類似于平行板電容器的兩極,當液面高度發(fā)生變化時相當于兩極正對面積發(fā)生變化,會引起電容的變化,與平行板電容器類比可得,導電液體深度h