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1、第六章传感器第六章传感器第第2 2节节 传感器的应用传感器的应用 （一）（一）传感器应用的一般模式传感器应用的一般模式：一一. .力传感器的应用力传感器的应用电子秤电子秤（1）电子秤使用的测力装置是什么？电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？它是由什么元件组成的？（2 2）简述力传感器的工作原理简述力传感器的工作原理。（3 3）应变片能够把什么力学量转化为应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？什么电学量？阅读教材，思考并回答问题阅读教材，思考并回答问题： 应变片能够把物体形变这个力学应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量量转化为电压这个电学量. 关于电子秤中应变式力传
2、感器的关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是说法正确的是（ ）A.A.应变片是由多用半导体材料制成应变片是由多用半导体材料制成B.B.当应变片的表面拉伸时，其电阻变当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小大；反之，变小. .C.C.传感器输出的是应变片上的电压传感器输出的是应变片上的电压D.D.外力越大，输出的电压差值也越大外力越大，输出的电压差值也越大A B D练习练习. . 例例1 1 演演示示位位移移传传感感器器的的工工作作原原理理如如图图示示, ,物物体体MM在在导导轨轨上上平平移移时时, ,带带动动滑滑动动变变阻阻器器的的金金属属滑滑杆杆p,p,通通过过电电压压表表显显示示的的
3、数数据据, ,来来反反映映物物体体位位移移的的大大小小x x。假假设设电电压压表表是是理理想想的的, ,则则下下列列说法正确的是说法正确的是 ( )( )A.A.物体物体MM运动时运动时, ,电源内电源内的电流会发生变化的电流会发生变化B.B.物体物体MM运动时运动时, ,电压表电压表的示数会发生变化的示数会发生变化C.C.物体物体MM不动时不动时, ,电路中没有电流电路中没有电流D.D.物体物体MM不动时不动时, ,电压表没有示数电压表没有示数B例例2 2 (1) (1) 加速度计的构造和原理的示意图如图加速度计的构造和原理的示意图如图, ,固定光滑杆上套一个质量为固定光滑杆上套一个质量为m
4、m的滑块的滑块, ,滑块的滑块的两侧分别与劲度系数均为两侧分别与劲度系数均为k k的弹簧相连的弹簧相连, ,两弹两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止, ,弹弹簧处于自然长度。滑块上有指针簧处于自然长度。滑块上有指针, ,可通过标尺可通过标尺测出滑块的位移测出滑块的位移. . 设某段时间内系统沿水平方设某段时间内系统沿水平方向运动向运动, ,指针向左偏离指针向左偏离OO点的距离为点的距离为S S，则这段，则这段时间内系统的加速度时间内系统的加速度 （ ） A.A.方向向左方向向左, ,大小为大小为 k S/mk S/m B. B.方向向右方向向右, ,大小
5、为大小为 k S/mk S/m C. C.方向向左方向向左, ,大小为大小为 2k S/m 2k S/m D. D.方向向右方向向右, ,大小为大小为 2k S/m2k S/m01010UPD(2)(2)若若电电位位器器（可可变变电电阻阻）总总长长度度为为L L，其其电电阻阻均均匀匀, ,两两端端接接在在稳稳压压电电源源U U0 0上上, ,当当系系统统以以加加速速度度a a沿沿水水平平方方向向运运动动时时, ,与与滑滑块块连连接接的的滑滑动动片片P P产产生生位位移移, ,此此时时可可输输出出一一个个电电信信号号U U，试试写出写出U U与与a a 的函数关系式。的函数关系式。01010UP
6、U0U=mU0 a / 2kLa例例3 3 可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度, ,其其结构如图所示。当系统绕轴结构如图所示。当系统绕轴OOOO转动时，元件转动时，元件A A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫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。已知星等的制导系统的信息源。已知A A的质量为的质量为mm，弹弹簧的劲度系数为簧的劲度系数为k k、自然长度为自然长度为l l，电源的电动势电源的电动势为为E E、内阻不计。滑动变阻器总长也为内阻不计。滑动变阻器总长也为l l ，电阻分电阻分布均匀，系统静止时布均匀，系统静止时P
7、 P在在B B点，当系统以角速度点，当系统以角速度转动时，试写出输出电压转动时，试写出输出电压U U与与的函数式。的函数式。A S PCBOO输出电压输出电压UU= Em 2 (k-m 2)力力电转换电转换器器输输出出输输入入受受压压面面例例4.4.为了测量一个物体的质量为了测量一个物体的质量, ,找到一个力电转换器找到一个力电转换器, ,该该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为为k k）如图所示）如图所示, ,测量时先调节输入端的电压测量时先调节输入端的电压, ,使转换器空使转换器空载时的输出电压为载时的输出电压为0 0；而后在其
8、受压面上放上物体；而后在其受压面上放上物体, ,即可即可测得与物体的质量成正比的输出电压测得与物体的质量成正比的输出电压U U。现有器材：力现有器材：力电转换器、质量为电转换器、质量为mm0 0的砝码、电压表、滑动变阻器、干的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转电池一个、电键及导线若干、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换器的受压面上）。请完成对该物体的测量mm。（1 1）设计一个电路）设计一个电路, ,要求力转换器的输入电压可调要求力转换器的输入电压可调, ,并并且使电压的调节范围尽可能大且使电压的调节范围尽可能大, ,画出完
9、整的测量电路图。画出完整的测量电路图。（2 2）简要说明测量步骤）简要说明测量步骤, ,求出比例系数求出比例系数k, k,并测出待测物并测出待测物体的质量体的质量mm。（3 3）请设想实验中可能会出）请设想实验中可能会出现的一个问题。现的一个问题。力力电转换电转换器器输输出出输输入入受受压压器器SVR解解 （1 1）电路图如图所示，输入电压采用分压接法目）电路图如图所示，输入电压采用分压接法目的是让电压可调范围尽可能大。的是让电压可调范围尽可能大。（2 2）测量步骤：）测量步骤：调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。将质量为将质量为mm0 0的砝码放在
10、转换器上，记下输出电压的砝码放在转换器上，记下输出电压U U0 0。将待测物体放在转换器上，记下输出电压将待测物体放在转换器上，记下输出电压U U1 1，由，由U U0 0=km=km0 0g g得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g，测得，测得U U1 1= =kmgkmg，所以，所以m=mm=m0 0U U1 1/U/U0 0。 （3 3）可能出现的问题）可能出现的问题 因电源电压不够而输出电压因电源电压不够而输出电压调不到零。调不到零。待测物体质量超出转换器量程。待测物体质量超出转换器量程。例题例题5 5 风力测定仪原理如图风力测定仪原理如图,P为金属球，悬挂在一细长裸金为金属球，悬
11、挂在一细长裸金属丝下面，属丝下面，O是悬挂点，是悬挂点，R0是保护电阻，是保护电阻，CD是水平放置的光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时细金属丝与电阻丝在C点接触，此时电路中的电流为点接触，此时电路中的电流为I，有，有风时细金属丝将偏转一角度风时细金属丝将偏转一角度,细金属丝与电阻丝在细金属丝与电阻丝在C/点接触，点接触，已知风力方向水平向左，已知风力方向水平向左，OC=h，CD=L，球的质量为，球的质量为M，电，电阻丝单位长度的电阻为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
12、，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转金属丝偏转角时，电流表的示数为角时，电流表的示数为I/，此时风力大小为，此时风力大小为F，试写出：试写出：R0OPDC/CA电电源源风力大小风力大小F F与与 的关系式；的关系式；风力大小风力大小F F与电流表示数与电流表示数I I/ / 的关系式。的关系式。 此装置所测定的最大风力是多少？此装置所测定的最大风力是多少？ 例例6.6.将将金金属属块块mm用用压压缩缩的的轻轻弹弹簧簧卡卡在在一一个个矩矩形形的的箱箱中中，如如图图所所示示，在在箱箱的的上上顶顶板板和和下下底底板板装装有有压压力力传传感感器器，箱箱可可以以沿沿竖竖直直轨轨道道运运动动。当当
13、箱箱以以a a=2.0 =2.0 m/sm/s2 2的的加加速速度度竖竖直直向向上上做做匀匀减减速速运运动动时时，上上顶顶板板的的传传感感器器显显示示的的压压力力为为6.0N6.0N，下下底底板板的的传传感感器器显显示示的的压力为压力为10.0N10.0N。( (取取g g=10 m/s=10 m/s2 2) )(1)(1)若上顶板传感器的示数是下底板若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半，传感器的示数的一半， 试判断箱的运试判断箱的运动情况。动情况。(2)(2)要使上顶板传感器的示数为零要使上顶板传感器的示数为零, ,箱箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？沿竖直方向运动的情况可能是怎
14、样的？m原来原来（1）（2）解：解：m向上做匀减速向上做匀减速运动运动a向下向下a=2m/s2F=10NF1 =6Nmgamg+F1-F=mam=0.5kg上顶板示数是下上顶板示数是下底板示数的底板示数的1/2弹簧长度不变弹簧长度不变F=10N F2=5NFmgF2a2mg+F2-F=ma2a2=0静止或匀速运动静止或匀速运动上顶板示数为零，上顶板示数为零，则弹簧变短，则弹簧变短，F10N F3=0Fmga3F mg = ma3a3 10m/s2向上加速或向向上加速或向下减速，加速下减速，加速度度a 10m/s2。力电传感器的应用力电传感器的应用 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在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及系统及ABSABS防抱死制动系统等。防抱死制动系统等。1. 1.测质量测质量2.2.测测 力力3.3.测物体加（角）速度测物体加（角）速度4.4.测测 位位 移移问题与练习P58(2)
