電磁繼電器滑動(dòng)變阻器.ppt

第三單元傳感器的原理及應(yīng)用 1 概念 能夠感受外界信息 并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置 叫傳感器 2 組成 一般由敏感元件 轉(zhuǎn)換器件 轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成 3 原理 通過對(duì)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(cè)量的量 例如 光電傳感器利用光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 熱電傳感器利用熱敏電阻將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 4 流程 5 傳感器的分類 目前對(duì)傳感器尚無一個(gè)統(tǒng)一的分類方法 常用的分類方法有兩個(gè) 1 按輸入量分類 如輸入量分別為等非電學(xué)量時(shí) 相應(yīng)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 這種分類方法給使用者提供了方便 容易根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇需要的傳感器 溫度 壓力 位移 速度 加速度 2 按傳感器的工作原理分類 可分為電阻傳感器 等 電容傳感器 電感傳感器 霍爾傳感器 光電傳感器 光柵傳感器z 6 傳感器的元件 制作傳感器時(shí)經(jīng)常使用的元件有 霍爾元件等 1 熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的 常態(tài)時(shí)其阻值約為10k 其電阻率隨溫度的變化而迅速變化 溫度升高時(shí) 其電阻率顯著減小 光敏電阻 熱敏電阻 金屬熱電阻 2 光敏電阻也是由半導(dǎo)體材料制成的 其電阻率在光照射下顯著減小 在沒有光照射下其阻值可以達(dá)到幾十兆歐 在一般室內(nèi)光照射下 電阻可以降至幾千歐 利用多用電表的歐姆擋測(cè)量不同溫度下熱敏電阻的阻值以及不同光照條件下光敏電阻的阻值 就可以了解熱敏電阻隨溫度以及光敏電阻隨光照的變化規(guī)律 3 有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增加 利用這個(gè)特點(diǎn)也可以制成溫度傳感器 熱敏電阻和金屬熱電阻都可以把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量 電阻 相比之下熱敏電阻的靈敏度較好 4 霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓 當(dāng)電流一定時(shí) 霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成 正比 1 組成 由金屬架和應(yīng)變片組成 2 工作原理 如圖1所示 彈簧鋼制成的梁形元件右端固定 在梁的上下表面各貼一個(gè)應(yīng)變片 在梁的自由端施力F 則梁發(fā)生彎曲 上表面拉伸 下表面壓縮 上表面應(yīng)變片的電阻變大 下表面的電阻變小 F越大 彎曲形變?cè)酱?應(yīng)變片的阻值變化就越大 如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定 那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大 下面應(yīng)變片兩端的電壓變小 傳感器把這兩個(gè)電壓的差值輸出 外力越大 輸出的電壓差值也就越大 應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量 1 話筒的作用是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 常見的有 動(dòng)圈式話筒 電容式話筒和駐極體話筒 2 動(dòng)圈式話筒的工作原理 它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的 當(dāng)聲波使金屬膜片振動(dòng)時(shí) 連接在膜片上的線圈在永磁鐵磁場(chǎng)里振動(dòng) 產(chǎn)生感應(yīng)電流 其大小和方向都變化 振幅和頻率的變化由聲波決定 這個(gè)信號(hào)電流經(jīng)擴(kuò)音器擴(kuò)大后傳給揚(yáng)聲器放出 3 電容式話筒的工作原理 聲波使電容器膜片振動(dòng)時(shí) 電容發(fā)生變化 電路中電流變化 于是輸出端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓 4 駐極體話筒的工作原理 同電容式話筒 只是內(nèi)部有感受聲波的駐極體塑料薄膜 1 溫度傳感器是由半導(dǎo)體材料制成的 熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成 它是把熱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而進(jìn)行自動(dòng)控制的 2 電熨斗 電熨斗能自動(dòng)控制溫度 靠的是裝有雙金屬片的溫度傳感器 這種傳感器的作用是控制電路的通斷 1 原理 溫度傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 由指針儀表或數(shù)字式儀表顯示出來 把非電學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量 2 優(yōu)點(diǎn) 由于電信號(hào)可以由測(cè)溫點(diǎn)傳輸?shù)狡渌攸c(diǎn) 所以溫度傳感器可以遠(yuǎn)距離讀取溫度的數(shù)值 3 種類 常見的測(cè)溫儀的測(cè)溫元件可以是熱敏電阻 金屬熱電阻 熱電偶等 還可以是紅外線敏感元件等 1 機(jī)械式鼠標(biāo)器內(nèi)的碼盤兩側(cè)分別裝有紅外發(fā)射管 LED 及紅外接收管 兩個(gè)紅外接收管就是兩個(gè)光傳感器 2 有的火災(zāi)報(bào)警器是利用煙霧對(duì)光的散射來工作的 其帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED 光電三極管和不透明的擋板 平時(shí)光電三極管收不到LED發(fā)出的光 呈現(xiàn)高電阻狀態(tài) 煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對(duì)光有散射作用 使部分光線照射到光電三極管上 其電阻變小 與傳感器連接的電路檢測(cè)出這種變化 就會(huì)發(fā)出警報(bào) 如圖2所示 1 角度的電容式傳感器 原理是當(dāng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)片時(shí) 電容器兩個(gè)彼此絕緣的金屬板的正對(duì)面積發(fā)生變化 從而引起電容發(fā)生變化 如圖3甲所示 2 液體的電容式傳感器 原理是導(dǎo)電液體相當(dāng)于電容器的一個(gè)極板 當(dāng)液體的深度發(fā)生變化時(shí) 相當(dāng)于兩個(gè)極板的正對(duì)面積發(fā)生變化 從而電容發(fā)生變化 如圖乙所示 3 位移的電容式傳感器 原理是當(dāng)電解質(zhì)板插入兩金屬極板間不同的距離時(shí) 隨著電解質(zhì)板位移的變化 電容隨之變化 如圖丙所示 4 壓力的電容式傳感器 原理是當(dāng)作用在一個(gè)電極上的壓力改變時(shí) 金屬片的形狀發(fā)生變化 兩金屬板的距離發(fā)生變化 電容隨之改變 如圖丁所示 根據(jù)壓力的變化 判斷傳感器的工作原理 例1 如圖4所示的是一種測(cè)定壓力的電容式傳感器 當(dāng)待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片的電極上時(shí) 以下說法正確的是 若F向上壓膜片電極 電路中有從a到b的電流 若F向上壓膜片電極 電路中有從b到a的電流 若F向上壓膜片電極 電路中不會(huì)出現(xiàn)電流 若電流表有示數(shù) 則說明壓力F發(fā)生變化 若電流表有示數(shù) 則說明壓力F不發(fā)生變化A B C D 圖5 答案 A 變式1 用如圖6所示的裝置可以測(cè)量汽車在水平路面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度 該裝置是在矩形箱子的前 后壁上各安裝一個(gè)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質(zhì)量為2 0kg的滑塊 滑塊可無摩擦滑動(dòng) 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(yùn)動(dòng)方向固定在汽車上 傳感器b在前 傳感器a在后 汽車靜止時(shí) 傳感器a b的示數(shù)均為10N g取10m s2 1 若傳感器a的示數(shù)為14N b的示數(shù)為6 0N 求此時(shí)汽車的加速度大小和方向 2 當(dāng)汽車以怎樣的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí) 傳感器a的示數(shù)為零 解析 傳感器上所顯示出力的大小 即彈簧對(duì)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(duì)滑塊的彈力大小 答案 1 4m s2向右 2 10m s2向左 高中階段所進(jìn)行的自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) 一般是用光敏電阻 熱敏電阻等原件通過繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 設(shè)計(jì)電路時(shí) 應(yīng)注意繼電器的聯(lián)接 是利用常開觸頭還是常閉觸頭 控制電路與工作電路分開設(shè)計(jì) 各自形成不同的回路 例2 現(xiàn)有熱敏電阻 電爐絲 電源 電磁繼電器 滑動(dòng)變阻器 開關(guān)和導(dǎo)線若干 如圖8所示 試設(shè)計(jì)一個(gè)溫控電路 要求溫度低于某一溫度時(shí) 電爐絲自動(dòng)通電供熱 超過某一溫度時(shí) 又可以自動(dòng)斷電 畫出電路圖說明工作過程 解析 熱敏電阻R1與滑動(dòng)變阻器及電磁繼電器構(gòu)成低壓控制電路 答案 電路圖如圖9所示 工作過程 閉合S當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)熱敏電阻阻值增大 通過電磁繼電器的電流不能使它工作 K接通電爐絲加熱 當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí) 熱敏電阻減小到某值 通過電磁繼電器的電流達(dá)到工作電流 K斷開 電爐絲斷電 停止供熱 當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值 又重復(fù)前述過程 變式2 某學(xué)生為了測(cè)量一物體的質(zhì)量 找到了一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器 讓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力 比例系數(shù)為k 如圖10所示 測(cè)量時(shí)先調(diào)節(jié)輸入端的電壓 使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為零 然后在其受壓面上放一物體 即可測(cè)得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U 現(xiàn)有下列器材 力電轉(zhuǎn)換器 質(zhì)量為m0的砝碼 電壓表 滑動(dòng)變阻器 干電池各一個(gè) 開關(guān)及導(dǎo)線若干 待測(cè)物體 可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上 1 設(shè)計(jì)一個(gè)電路 要求力電轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào) 并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大 在下面的虛線框中畫出完整的測(cè)量電路圖 2 簡(jiǎn)要說明測(cè)量步驟 求出比例系數(shù)k 并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量m 3 請(qǐng)?jiān)O(shè)想實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的一些問題 解析 1 設(shè)計(jì)的電路如圖11所示 根據(jù)熱敏電阻 光敏電阻的特性來判斷自動(dòng)傳感器的工作原理 例3 用熱敏電阻作為傳感器 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置 可供選擇的器材如下 熱敏電阻 小燈泡 或門鈴 電池組 繼電器 滑動(dòng)變阻器 開關(guān) 導(dǎo)線等 要求 溫度高時(shí) 燈泡亮或門鈴報(bào)警 請(qǐng)選出需要的器材 畫出原理圖 并作簡(jiǎn)要說明 解析 假設(shè)用熱敏電阻來控制一個(gè)小燈泡的發(fā)光和熄滅 電池組的輸出電壓如果等于繼電器的工作電壓 但是高于小燈泡的額定電壓 可以用一個(gè)滑動(dòng)變器和小燈泡串聯(lián)來調(diào)節(jié) 其工作原理如圖12所示 這樣可以共用一個(gè)電池組 所選取的器材有電磁繼電器 熱敏電阻 開關(guān) 電池組 滑動(dòng)變阻器 小燈泡和連接導(dǎo)線等 其工作過程是 閉合開關(guān)S 把繼電器 熱敏電阻和電池組接通 由于熱敏電阻的溫度較低 它的阻值較大 使通過繼器的電流較小 不足以把鐵片吸下來 所以小燈泡中沒有電流通過 是熄滅的 當(dāng)熱敏電阻的溫度升高到某一特定值后 它的阻值迅速減小 使通過繼電器的電流迅速增大 電磁鐵產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)將鐵片吸下來與觸點(diǎn)P連接 將小燈泡與電池組接通 小燈泡發(fā)光 當(dāng)熱敏電阻的溫度降到某特定溫度以下時(shí) 它的電阻值迅速增大 使通過繼電器的電流減小 鐵片被彈簧拉動(dòng)而離開觸點(diǎn)P 小燈泡熄滅 這樣 由熱敏電阻的溫度變化可引起繼電器回路的電流變化 從而達(dá)到控制小燈泡亮 滅的目的 答案 見解析 高分通道熱敏電阻 光敏電阻一般是用半導(dǎo)體材料做成的 熱敏電阻的電阻隨溫度的升高而減小 光敏電阻的電阻有光照時(shí)電阻減小 變式3 如右圖13所示 將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋 再將電表的兩支筆分別與光敏電阻Rt的兩端相連 這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中間 若用不透光的黑紙將Rt包裹起來 表針將向 填 左 或 右 轉(zhuǎn)動(dòng) 若用手電筒光照射Rt 表針將向 填 左 或 右 轉(zhuǎn)動(dòng) 解析 光敏電阻受光照越強(qiáng) 電阻越小 電流越大 所以將Rt包裹起來電阻增大 電流減小指針向左偏 反之向右偏 答案 左右 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(dǎo)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(hào)的D 以上說法都不正確 解析 半導(dǎo)體材料可以制成傳感器 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(jì) 所以A錯(cuò) 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(xué)成分等非電學(xué)量 所以C錯(cuò) 答案 B 2 唱卡拉OK用的話筒內(nèi)有傳感器 其中有一種是用動(dòng)圈式的 它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小線圈 線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中 當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí) 就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 下列說法正確的是 A 該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的B 該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的C 膜片振動(dòng)時(shí) 穿過金屬線圈的磁通量不變D 膜片振動(dòng)時(shí) 金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 解析 當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí) 膜片后的金屬線圈就跟著振動(dòng) 從而使處于永磁體的磁場(chǎng)中的線圈切割磁感線 穿過線圈的磁通量發(fā)生改變 產(chǎn)生感應(yīng)電流 從而將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 可見這是利用電磁感應(yīng)原理 故B正確 答案 B 3 在一些星級(jí)賓館的洗手間經(jīng)常裝有自動(dòng)干手機(jī) 洗手后將濕手靠近 機(jī)內(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱 有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出 將濕手烘干 手靠近干手機(jī)能使傳感器工作 是因?yàn)?A 改變濕度B 改變溫度C 改變磁場(chǎng)D 改變電容 解析 根據(jù)自動(dòng)干手機(jī)工作的特征 手靠近電熱器工作 手撤離電熱器停止工作 人是一種導(dǎo)體 可以與其他導(dǎo)體構(gòu)成電容 手靠近時(shí)相當(dāng)于連接一個(gè)電容 可以確定干手機(jī)內(nèi)設(shè)有電容式傳感器 由于手的靠近改變了電容 用濕度和溫度來驅(qū)動(dòng)電熱器工作 理論上可行 但是假如干手機(jī)是由于濕度 溫度的變化而工作就成了室內(nèi)烘干機(jī) 故D正確 答案 D 4 半導(dǎo)體中參與導(dǎo)體的電流載體稱為載流子 N型半導(dǎo)體的載流子是帶負(fù)電的電子 P型半導(dǎo)體的載流子是帶正電的 空穴 一塊厚度為d 高度為l的長(zhǎng)方形半導(dǎo)體樣品 置于方向如圖14所示 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 當(dāng)半導(dǎo)體樣品中通以如圖所示方向 大小為I的恒定電流時(shí) 樣品上 下底面出現(xiàn)恒定電勢(shì)差U 且上表面帶正電 下表面帶負(fù)電 設(shè)半導(dǎo)體樣品中每個(gè)載流子帶電荷量為q 半導(dǎo)體樣品中載流子的密度 單位體積內(nèi)載流子的個(gè)數(shù) 用n表示 則下列關(guān)于樣品材料類型的判斷和其中載流子密度n的大小 正確的是 答案 BD 5 如圖15所示 R1 R2為定值電阻 L為小燈泡 R3為光敏電阻 當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí) A 電壓表的示數(shù)增大B R2中電流減小C 小燈泡的功率增大D 電路的路端電壓增大 解析 當(dāng)光強(qiáng)度增大時(shí) R3阻值減小 外電路電阻隨R3的減小而減小 R1兩端電壓因干路電流增大而增大 同時(shí)內(nèi)電壓增大 故電路路端電壓減小 而電壓表的示數(shù)增大 A項(xiàng)正確 D項(xiàng)錯(cuò)誤 由路端電壓減小而R1兩端