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1、传感器的应用力电传感器: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。例1：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该 转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k）如图 所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为 0；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量成正比的 输出电压U。 现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻 器、干电池一个、电键及导线若干
2、、待测物体（可置于力电转换器 的受压面上）。请完成对该物体的测量m。 （1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压 的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。 （2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量 m。 （3）请设想实验中可能会出现的一个问题。力电转换器输出输入受压面(1) 设计电路如图(2) 测量步骤与结果:调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为 零,将砝码放在转换器上,记下输出电压U0,将待测物放在转换器 上,记下输出电压U由U0=km0g,得k=U0/m0gU=k m g,所以 m=m0U/U0例题2：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的
3、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，R0 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：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？R0OPDBCA电 源例3(1)
4、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。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/mB方向向右，大小为 k S/mC方向向左，大小为 2k S/m D. 方向向右，大小为 2k S/m01010UPD(2)若电位器（可变
5、电阻）总长度为L，其电阻均匀，两端接在稳压 电源U0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。01010UPU0解：a=2kS/m S=ma/2kU=U0 Rx / R = U0 S / L=maU0 / 2kL=mU0 a / 2kLa例题4：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
6、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，已知：敏感元 件的质量为m，两弹簧的劲度系数为k，电源的电动势为E，内电阻 不计，滑动变阻器的总电阻为R，有效长度为L，静态时输出电压为 U0。试求加速度a与输出电压U的关系式。 滑动触头左右移动过程中 ， 电路中电流如何变化？ 若车的加速度大小为a，则 两弹簧的形变量是多少？ 求加速度a与输出电压U的 关系式敏感 元件输出 信号ER例题5：（2003上海考题）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
7、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B例6: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与的函数式。ASP CBOO 输出电压U解：设
8、弹簧伸长x , 则 x= m 2 l ( k-m 2 )设滑动变阻器单位长度的电阻为r1 U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l U= Em 2 (k-m 2)例7：将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示， 在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。 当箱以a=2.0 m/s2的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的传感 器显示的压力为6.0N，下底板的传感器显示的压力为10.0N。(取 g=10 m/s2) (1)若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半， 试判断箱的 运动情况。 (2)要使上顶板传感器的示数为零,箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样
9、的？m原来（1）（2）解：mF=10NF1 =6Nmga向上做匀减速运 动a向下a=2m/s2mg+F1-F=mam=0.5kgFmgF2a2上顶板示数是下 底板示数的1/2弹簧长度不变 F=10N F2=5N mg+F2-F=ma2a2=0静止或匀速运动Fmga3上顶板示数为零，则弹 簧变短F10N F3=0F mg = ma3a3 10m/s2向上加速或向下减速， 加速度a 10m/s2。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1.（2003上海试题）唱卡拉
10、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例2.日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能 器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？U形动动触片静触片氖氖 泡图1解析：日光灯启动器结构如图所示 ，内有一双金属片，热膨胀系数不 同。开关闭合后，启动器两极之间 有
11、电压使氖气放电而发出辉光，辉 光发出的热量使U形动触片受热膨胀 向外延伸，碰到静触片接触，电路 接通；温度降低时，U动触片向里收 缩，离开触点，切断电路。例3.电熨斗：利用双金属片温度传感器控制电路的通断.例4.电饭锅：利用感温磁体的特点例题5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用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 R2 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 R1R2R3AabE rD例6.如图所示
12、是一种热敏电阻（PTC元件）的电阻R随温度t变化的 关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能常见的电热灭蚊器 中就使用这种元件来加温并控制温度如果将该元件接到220V恒定 电压下，则（ ） A通电后，其电功率先增大后减小 B通电后，其电功率先减小后增大 C当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1不变 D当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1 到t2之间的某一 值不变t/Rt2t1AD例7.右图是一个温度传感器的原理示意图,Rt是一个热敏电阻器。 试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的。思考方向：1、两电阻采取什么连接方 式？ 2、转变的电信号应该是哪个电学量？ 3、电压表测的是哪个电阻
13、的电压？V RtR温度升高或降低导致Rt阻值发生变化，使电路中电流也发生 变化，导致R上的电压也发生改变，因此电压表读数将会发生变 化，从而就将温度的化转变为电信号。例8. 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC 元件， PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温 度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保 温双重功能对此，以下判断正确的是（ ）通电后，其电功率先增大，后减小 通电后，其电功率先减 小，后增大 当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持 在t1不变 当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1 和t2之间的某一值不变A B C DD例
14、9. 如图632是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭 合后，当此开关温度达到居里点（103）时，会自动断开S2是一 个自动控控温开关，当温度低于70时，会自动闭合；温度高于 80时会自动断开，红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示 灯，分流电阻R1R2500，加热电阻丝R350，两灯电阻不计 (1)分析电饭煲的工作原理(2)计算加热和保温两种状态下，电饭煲消 耗的电功率之比(3)简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭 煮熟吗？（1）电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭合，同时手动闭合S1 ，这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态，加热到80，S2 自动断开，S1仍闭合；水烧开后，温
15、度升高到103时，开关S1自动 断开，这时饭已经煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态由于散热 ，待温度将至70时，S2自动闭合，电饭煲重新加热，温度达到 80时，S2又自动断开，再次处于保温状态（2）加热时电饭煲消 耗的电功率P1U2/R并，保温时电饭煲消耗的功率P2两式中 从而有（1 (3)如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被短路，功率 为P1，当温度上升到80时，S2自动断开，功率降为P2，温度降到 70，S2自动闭合温度只能在7080之间变化，不能把 水烧开，不能煮熟饭例10.图3-2-4a是某同学研究热敏电阻阻值随温度的变化规律时设计 的电路图 （1）根据电路图，在图3-2-4b的实物上连线（2）通过 实验，他得到了该热敏电阻的伏安特性曲线如图3-2-5a所示，由图可知，热敏电阻的阻值随温度的升高而 （3）他将这个热 敏电阻接入图3-2-5b所示的电路中，已知电源电压为9V，R1=300 ，毫安表读数为60mA，则R2的阻值为 图3-2-4aRxASVVA图3-2-4bI/mAU/V1 500a10203040AR1R2热敏电阻bR9V2 3 4 5 6 图3-2-5例11.图1为某一热敏电阻
