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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