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高考物理传感器的简单应用


传感器的简单应用
吕叔湘中学 庞留根

一、传感器的含义

传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、 流量、声强、光照度等)转换成易于测量、传输、处理的电学量 (如电压、电流、电容等)的一种组件,起自动控制作用。一般由 敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成,如: 非电物理量 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量

二、传感器的分类
1.力电传感器

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。

(1)测物体的质量

A
P B R0

A E S P

S
A B V R0 S V P E

A
B R0

E

(2)测物体加(角)速度 例题: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。 ①滑动触头左右移动过程中,电路 中电流如何变化? ②若车的加速度大小为a,则两弹 簧的形变量是多少?
敏感 元件

输出 信号
E

R

③求加速度a与输出电压U的关系式

(2)测物体加(角)速度

角速度计 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ω转动时,试写出输出电压 U与ω的函数式。 kx=m ω2(l+x) 解:设弹簧伸长x , 则 A O 2 2 ω ∴ x= m ω l / ( k-m ω )
设滑动变阻器单位长度 的电阻为r1 O′

U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l ∴ U= Em ω2 /(k-m ω2)

输出电压U

P

B
S

C
返回

例1. 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。1.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 ( D ) 10 0 A. 方向向左,大小为 k S/m 10 B.方向向右,大小为 k S/m C.方向向左,大小为 2k S/m P U D. 方向向右,大小为 2k S/m

2. 若电位器(可变电阻)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。 10 10 0 解:a=2kS/m ∴ S=ma/2k U=U0 Rx / R = U0 S / L =maU0 / 2kL
P U

=mU0 a / 2kL∝a

U0

(3)测 力 例题:(风力测定仪)如图所示为一种测定风作用力的仪器原 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θ(θ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θ角时,电流表的示数 为I/,此时风力大小为F,试写出: R0 O A ①风力大小F与θ的关系式; ②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。 电 θ 源 ③此装置所测定的最大风力是多少? C/ C D P

(4)测 位 移 例题: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 ( ) B 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

2。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: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( B ) A. C. I 变大,U 变大 I 变小,U 变大 B. D. I 变小,U 变小 I 变大,U 变小 a

解:出现火情时温度升高, R2 减小, R总减小, I总增大,

Uab减小, U并减小, IA减小,

E r
b

R1

A R3

R2

3.光电传感器

光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电 阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、 路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的 原理。 例题:如图,当电键 K 断开时,用光子能量为 2.5eV 的一束光照 射阴极P,发现电流表读数不为零。合上电键,调节滑线变阻器, 发现当电压表读数小于 0.60V时,电流表读数仍不为零;当电压表 读数大于或等于0.60V时,电流表读数为零。由此可知阴极材料的 逸出功为 ( ) A
A. 1.9eV C . 2.5eV B. 0.6eV D. 3.1eV

解:反向截止电压为0.60V, EKm= 0.60 eV W=hν- EKm= 2.5-0.6=1.9 eV

4.声电传感器 例题:唱卡拉 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 ( )

B 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

5.电容式传感器 电容器的电容 C决定于极板的正对面积 S、极板间距离d以及极 板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度、位移、深 度等)的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化, 则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化,起这种 作用的电容器称为电容式传感器。 θ 图甲是测量 角度θ 的电容式传感器,原理是 由于C∝S,动片与定片间的角度θ发生 。 变化时,引起S的变化,通过测出C的 甲 定片 变化,测量动片与定片间的夹角θ

图乙是测量液面高度h 的电容式传感器,原理是 由于C∝S,h发生变化,金属芯线和 。 乙 导电液体组成的电容发生变化,通过 测定C的变化,可以测量液面高度h h 的变化。

金属芯线 电介质 导电液体

图丙是测量 压力F 的电容式传感器,原理是 由于C∝1/d,压力F 作用在可动电极上,引起极板间距 。 d 的变化,通过测出C的变化,测量压力F的变化。 固定电极 丙 F 可动电极 丁 极板 x 电介质

图丁是测量 位移x

的电容式传感器,原理是


由于C 随着电介质进入极板间的长度发生变化,通过 测出C的变化,测量位移x的变化。

题目:随着生活质量的提高,自动干手机已进入 家庭,洗手后,将湿手靠近自动干手机,机内的 传感器便驱动电热器加热,有热空气从机内喷出, 将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作,是 因为 ( D ) A. 改变了湿度
C. 改变了磁场

B. 改变了温度
D. 改变了电容

6.电感传感器

电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来 实现测量或控制的一种装置,一般要利用磁场作为媒 介或利用磁体的某些现象。
N

实例:磁性物质探测报警器

S

录音机

为了测量列车运行的速度和加速度的大小,可采 用如图所示的装置,它是由一块安装在列车头底部的 强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组 成的(测量仪未画出)。当列车经过线圈上方时,线 圈中产生的电流被记录下来,就能求出列车在各位置 的速度和加速度。假设磁体端部磁感强度为B=0.004T, 且全部集中在端面范围内,与端面垂直,磁体宽度与 线圈宽度相同,且都很小,线圈匝数n=5,长L=0.2m, 电阻0.4Ω(包括引线电阻),测试记录下来的电流— 位移如图所示。试求:

⑴在离O(原点)30m,130m处列车的速度v1和v2的大 小
⑵假设列车是匀变速运动,求列车加速度的大小

解:I=E/R=nBLv/R v=IR/nBL= 0.4I/5×0.004×0.2= 100×I 在30m处,I1 =0.12A ∴v1=12m/s 在130m处,I2 =0.15A ∴v2=15 m/s
i /A
0.15

0.10
0 .05 0 -0 .05 -0.10 -0.15

S/m
50 100 150

∴ a =(

- v1 )/ 2S = 0.405 m/s2

v22

2

B O S

例、 用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器,要 求是:正常情况绿灯亮,有险情时电铃报警。可供选择 的器材如下:热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源 、继电器、滑动变阻器、开关、导线。

解:热敏电阻受到光照射时电阻变小 ,将热敏电 阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联 接入继电器的a、b端,如图示: 将学生用电源与电铃分别接入c、d、e之间。 正常时热敏电阻值大, ab间电流小,磁性弱,ce 处于闭合,绿灯亮。 有险情时,光敏电阻 值小, ab间电流大,磁 e a b c d 性强,吸住衔铁,cd闭合 ,ce断开,绿灯灭,电铃 响。

练习、 用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来 控制路灯的实验电路。要求是:光暗时灯亮,光亮时灯 灭。可供选择的器材如下:光敏电阻、小灯泡、学生用 电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。

解:光敏电阻受到光照射时电阻变小 ,将光敏电 阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联 接入继电器的a、b端,如图示: 将交流电源与路灯接入c、e之间。 光暗时光敏电阻值大, ab间电流小,磁性弱,ce 处于闭合,灯亮。 光亮时,光敏电阻值 小, ab间电流大,磁性 强,吸住衔铁,电路ce处 断开,灯灭。
220V

c e
b a

50 40 30 20

(7分)图1为某一热敏电阻R(电阻值随温度 的改变而改变,且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。 ⑴为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线,在图2和图3两 个电路中应选择的是图 2 ;简要说明理由: 电压可从0V调到所需电压,调节范围较大 。(电源电动势 为9V,内阻不计,滑线变阻器的阻值为0-100Ω) ⑵在图 4 电路中,电源电压恒为 9V ,电流表读数为 70mA ,定值 电阻 R1=250Ω 。由热敏电阻的 I-U 关系曲线可知,热敏电阻两端 5.2 的电压为________V ;电阻R2的阻值为 111.6—112.0 Ω。 ⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子:_____________ 热敏温度计。 解: ⑵ I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 Ω 由图1得 UR=5.2V I/mA
V
A

V
A

A
R2

9V 1 2 3 4
图1

R1

10

R

0

5

6 7 U/V

热 敏 电 阻

图2

图4

如图示,将一光敏电阻连入多用电表两表笔上, 将多用电表的选择开关置于Ω档,用光照射光敏电阻 时表针的偏角为θ, 现用手掌挡住部分光线,表针的 偏角变为θ ′,则可判断 ( B)
A. θ ′= θ B. θ ′< θ C. θ ′>θ D. 不能确定θ和 θ 的关系′
θ

五、传感器可将非电学量转化为电学量,起自动控制作用。 如计算机鼠标中有位移传感器,电熨斗、电饭煲中有温度传 感器,电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感 器…… 10.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,来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的,则下 B) 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

11.唱卡拉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 ( B )
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


D .膜片振动时,金属线圈中不会产生感应 电动势

12.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就 是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于 这类传感器的是 ( A ) A.红外报警装置
B.走廊照明灯的声控开关

C.自动洗衣机中的压力传感装置
D.电饭煲中控制加热和保温的温控器

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。 m (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的?

解: 原来
m F=10N

( 1)
F

( 2)
F

a3

mg F1 =6N

a

mg F2

a2
mg

向上做匀减速 运动a向下 a=2m/s2
mg+F1-F=ma m=0.5kg

上顶板示数是下 上顶板示数为零, 底板示数的1/2 则弹簧变短, 弹簧长度不变 F≥10N F3=0 F=10N F2=5N F – mg = ma3 a3 ≥ 10m/s2 mg+F2-F=ma2 向上加速或向 下减速,加速 静止或匀速运动 度a≥ 10m/s2。 a2=0

解: 原来
m F=10N

( 1)
F

( 2)
F

a3

mg F1 =6N

a

mg F2

a2
mg

向上做匀减速 运动a=2m/s2
mg+F1-F=ma m=0.5kg

上顶板示数是下 上顶板示数为零, 底板示数的1/2 则弹簧变短, 弹簧长度不变 F≥10N F3=0 F=10N F2=5N F – mg = ma3 a3 ≥ 10m/s2 mg+F2-F=ma2 向上加速或向 下减速,加速 静止或匀速运动 度a≥ 10m/s2。 a2=0

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后的安抚和善后!可是,就这么壹件简单的事情,现在对她而言,却是壹个天大的挑战。自从嫁入王府这后,她从来只跟吟雪和月影两个人打 交道,其它的壹众仆从,她几乎就没有理会过。除了小柱子因为是怡然居的管事太监,蒋嬷嬷是礼仪嬷嬷,她偶尔要从这两个人那里讨些经验, 问些问题,至于其它的奴才们,她连每个人叫什么名字都不知道。现在不但是她的身边没有伺候的人,就是吟雪和月影受罚回来以后,也没有 伺候她们的人!第壹卷 第128章 奴才壹想到未来将要面临的没有人照顾吟雪和月影的情况,冰凝强忍着胃痛,准备出门去找她的奴才们。刚 壹推开门,就见小柱子正垂首立在壹侧,她诧异地问:“方公公,您怎么在这里?”“奴才看你手边没有丫环伺候着,怕您有什么事情要交代 奴才做的。”小柱子壹番话,说得冰凝心里立即热乎乎的,特别是刚刚经受了那么大的事情,备受屈辱、孤立无援的时候,小柱子的壹番话就 像是这夏日中的壹捧甘泉,浇平了她胸中的愤怒火焰和烦燥不安。于是她赶快说:“多谢方公公,我确实是有点儿事情。麻烦您能否把这院子 里的奴才都叫到这里来。”“侧福晋不必客气,您直接吩咐奴才去办就可以。”没壹会儿,怡然居的大小老少男女奴才们都壹个不落地集中到 了冰凝房前的小空地上。望着眼前这壹堆男男女女、大大小小的壹众奴才,冰凝暗自数了数,就像新婚的第二天,小柱子跟她介绍的壹模壹样: 六个太监、四个嬷嬷,两个粗使丫环,壹个针线丫环,壹个浆洗丫环,壹个茶水丫环,壹个伙房丫环。加起来总共十六个奴才!冰凝略微思索 了壹下,就开口问道:略微思索了壹下,她开口问道:“哪个是负责针线和茶水的?”彩蝶和彩霞双双对望了壹下,双双开口说道:“回侧福 晋,奴婢是。”“哪两个是粗使丫环?”话音刚落,青草和小云脆生生地答道:“回侧福晋,奴婢是!”“好,从现在开始,彩蝶和彩霞两个 人暂时先到我房里来伺候。吟雪和月影两个人受罚回来,青草和小云负责照料,你们两人的活计,先暂时各位公公代劳。方公公您赶快将药膏、 热水等物品配齐,待吟雪和月影两人回来要立即用上。其它人继续做好自己手头的事情,随时有事情再随时吩咐。大家先散了吧。”冰凝是这 样考虑的,茶水丫环本来就要做壹些端茶倒水的工作,在茶水房当差和在她这里当差也差不了多,而针线上的事情几乎都不是什么急活儿,因 此她打算将这院子里的针线活计暂时都先放下不做了,全力以赴度过这段人手紧缺的时期。重新分派完事情,冰凝就回到了房里,彩蝶和彩霞 两个人怯生生地随着她壹并进了房里。冰凝看着这两个丫环,心里还是有很大的距离感和隔阂感,唉,虽然使唤着不顺手,但是处在困难时期 和非



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