高二物理選修3-2傳感器及其應(yīng)用(課件)[1] 2

1、第六章第六章 傳感器傳感器種類繁多的傳感器一、什么是傳感器一、什么是傳感器?位移、速度、壓力、位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光，溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光， 的一種組件，起自動(dòng)控制作用的一種組件，起自動(dòng)控制作用非電學(xué)量 電學(xué)量傳感器：傳感器： 一般由一般由 敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路 三三 部分組成部分組成 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器件器件敏感敏感元件元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路 非電非電物理量物理量電學(xué)量電學(xué)量常見傳感器及工作原理2、光敏電阻（光電傳感器）特性：例例1 1、如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，、如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中其中R R1 1為光

2、敏電阻，為光敏電阻，R R2 2為定值電阻此光電計(jì)數(shù)為定值電阻此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是（器的基本工作原理是（ ）A A當(dāng)有光照射當(dāng)有光照射R R1 1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓B B當(dāng)有光照射當(dāng)有光照射R R1 1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓C C信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次D D信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次3、熱敏電阻和金屬熱電阻ORT金屬導(dǎo)線金屬導(dǎo)線熱敏電阻熱敏電阻例2 有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件分別接入如圖所示電路中A、B兩點(diǎn)后

3、，用黑紙包住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法正確的是（ ）ABA.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻B.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻C.用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻D.用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻AC例例3：如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示：如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示意圖。其中意圖。其中R2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接

4、報(bào)警器。當(dāng)傳感器之間接報(bào)警器。當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的、報(bào)警器兩端的電壓電壓U的變化情況是（的變化情況是（ ）A.I 變大，變大，U 變大變大 B.I 變小，變小，U 變小變小 C.I 變小，變小，U 變大變大 D.I 變大，變大，U 變小變小 R1R2R3AabErB 嘗試體驗(yàn)嘗試體驗(yàn) 如圖所示，R1、R2為定值電阻，L是小燈泡，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 BR2中電流減小 C小燈泡的功率增大 D電路的路端電壓增大返回返回電容式位移傳感器電容式位移傳感器電容式位移傳感器示意圖被測(cè)物體x x電容

5、器極板電介質(zhì)板定片定片動(dòng)片動(dòng)片電介質(zhì)電介質(zhì)金屬芯線金屬芯線導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體待測(cè)壓力待測(cè)壓力F固定電極固定電極可動(dòng)電極可動(dòng)電極x極板極板極板極板電介質(zhì)電介質(zhì)其它電容式傳感器 力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學(xué)信號(hào)（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化力學(xué)信號(hào)（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)（電壓、電流等）的儀器。力為電學(xué)信號(hào)（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、現(xiàn)代科電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABS防抱死制動(dòng)防抱

6、死制動(dòng)系統(tǒng)等。系統(tǒng)等。 3.力電傳感器力電傳感器 電阻傳感器測(cè)物體的質(zhì)量電阻傳感器測(cè)物體的質(zhì)量EPASBR0APASBR0VEPASBR0VE例例* *：某學(xué)生為了測(cè)量一個(gè)物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該某學(xué)生為了測(cè)量一個(gè)物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為k k）如圖）如圖所示，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0 0；而后在其受壓面上放上物體，即可測(cè)得與物體的質(zhì)量成正比的；而后在其受壓面上放上物體，即可測(cè)得與物體的質(zhì)

7、量成正比的輸出電壓輸出電壓U U。現(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為現(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為m m0 0的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、干電池一個(gè)、電鍵及導(dǎo)線若干、待測(cè)物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器器、干電池一個(gè)、電鍵及導(dǎo)線若干、待測(cè)物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）。請(qǐng)完成對(duì)該物體的測(cè)量的受壓面上）。請(qǐng)完成對(duì)該物體的測(cè)量m m。（1 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）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，在方框中畫出完整的測(cè)量電路圖。壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測(cè)量電路圖。（2 2）簡(jiǎn)要說明測(cè)量步驟，求

8、出比例系數(shù)）簡(jiǎn)要說明測(cè)量步驟，求出比例系數(shù)k k，并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量，并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量m m。力電轉(zhuǎn)換器力電轉(zhuǎn)換器輸出輸出輸入輸入受壓面受壓面(1)(1) 設(shè)計(jì)電路如圖(2) (2) 測(cè)量步驟與結(jié)果測(cè)量步驟與結(jié)果: :調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器, ,使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零零, ,將砝碼放在轉(zhuǎn)換器上將砝碼放在轉(zhuǎn)換器上, ,記下輸出電壓記下輸出電壓U U0 0, ,將待測(cè)物放在轉(zhuǎn)換將待測(cè)物放在轉(zhuǎn)換器上器上, ,記下輸出電壓記下輸出電壓U U 由由U U0 0=km=km0 0g,g,得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g U=k m g, U=k m g,所以所以

9、m=mm=m0 0U/UU/U0 0例：（例：（2003上海考題）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物上海考題）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿p，通過電壓表，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來(lái)反映物體位移的大小顯示的數(shù)據(jù)，來(lái)反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，則。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說法正確的是下列說法正確的是( )A 物體物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化B 物體物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化C 物體物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒有電流不動(dòng)

10、時(shí)，電路中沒有電流D 物體物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒有示數(shù)不動(dòng)時(shí)，電壓表沒有示數(shù)B常溫下兩觸點(diǎn)分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點(diǎn)接觸。雙金屬片溫度傳感器：例例2.日光燈的啟動(dòng)器也可看成是一個(gè)熱敏傳感裝置，它的熱敏功能日光燈的啟動(dòng)器也可看成是一個(gè)熱敏傳感裝置，它的熱敏功能器是雙金屬片，你能說出啟動(dòng)器的工作原理嗎？器是雙金屬片，你能說出啟動(dòng)器的工作原理嗎？U形動(dòng)觸片形動(dòng)觸片靜觸片靜觸片氖泡氖泡圖1解析：日光燈啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖所示，解析：日光燈啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖所示，內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。開關(guān)閉合后，啟動(dòng)器兩極之間有電開關(guān)閉合后，啟動(dòng)器

11、兩極之間有電壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱量使出的熱量使U U形動(dòng)觸片受熱膨脹向外形動(dòng)觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸片接觸，電路接通；延伸，碰到靜觸片接觸，電路接通；溫度降低時(shí)，溫度降低時(shí)，U U動(dòng)觸片向里收縮，離動(dòng)觸片向里收縮，離開觸點(diǎn)，切斷電路。開觸點(diǎn)，切斷電路。電熨斗的構(gòu)造思考與討論：常溫下兩觸點(diǎn)是接觸還是分離？如何用調(diào)溫旋鈕來(lái)升高或降低電燙斗的工作溫度？例例3.3.電熨斗：電熨斗：利用雙金屬片溫度傳感器控制電路的通斷利用雙金屬片溫度傳感器控制電路的通斷. .（1）電飯鍋中溫度傳感器的主要元件是什么？）電飯鍋中溫度傳感器的主要元件是什么？（2）感溫鐵氧

12、體的組成物質(zhì)是什么？）感溫鐵氧體的組成物質(zhì)是什么？（3）感溫鐵氧體有何特點(diǎn)？）感溫鐵氧體有何特點(diǎn)？（4）什么是）什么是“居里點(diǎn)居里點(diǎn)”？ 利用煙霧對(duì)光的散利用煙霧對(duì)光的散射來(lái)工作的火災(zāi)報(bào)射來(lái)工作的火災(zāi)報(bào)警器警器 （1 1）材料：半導(dǎo)體）材料：半導(dǎo)體 如：砷化銦如：砷化銦CDFBEI IU UH H霍爾元件工作原理圖霍爾元件工作原理圖dkUHIB （3 3）霍爾電壓）霍爾電壓: :K K為比例系數(shù)，稱為為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)，其大小與元件的材料有關(guān)。，其大小與元件的材料有關(guān)。一個(gè)霍爾元件的一個(gè)霍爾元件的d、k為定值，再保持為定值，再保持I恒定，則恒定，則UH 的變化就的變化就與與B成正

13、比。因此霍爾元件又稱成正比。因此霍爾元件又稱磁敏元件磁敏元件。五、霍爾元件（磁傳感器） （2 2）工作原理：）工作原理：例例4:可測(cè)量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可測(cè)量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,其結(jié)構(gòu)如圖所示。其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)系統(tǒng)繞軸當(dāng)系統(tǒng)繞軸OO轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，元件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，元件A發(fā)生位移并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，發(fā)生位移并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。已知成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。已知A的質(zhì)量為的質(zhì)量為m，彈簧，彈簧的勁度系數(shù)為的勁度系數(shù)為k、自然長(zhǎng)度為、自然長(zhǎng)度為l，電源的電動(dòng)勢(shì)為，電源的電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻不計(jì)?；?、內(nèi)阻不計(jì)?；瑒?dòng)變阻器總長(zhǎng)也為動(dòng)變阻器總長(zhǎng)也

14、為l ，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時(shí)，電阻分布均勻，系統(tǒng)靜止時(shí)P在在B點(diǎn)，當(dāng)系點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)以角速度統(tǒng)以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，試寫出輸出電壓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，試寫出輸出電壓U與與的函數(shù)式。的函數(shù)式。A S PCBOO輸出電壓輸出電壓U解：設(shè)彈簧伸長(zhǎng)x , 則 x= m 2 l ( k-m 2 )設(shè)滑動(dòng)變阻器單位長(zhǎng)度 的電阻為r1 U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l U= Em 2 (k-m 2)例例5：將金屬塊：將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個(gè)矩形的箱中，如圖所示，用壓縮的輕彈簧卡在一個(gè)矩形的箱中，如圖所示，在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運(yùn)動(dòng)。在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運(yùn)動(dòng)。當(dāng)箱以當(dāng)箱以a=2.0 m/s2的加速度豎直向上做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，上頂板的傳的加速度豎直向上做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，上頂板的傳感器顯示的壓力為感器顯示的壓力為6.0N，下底板的傳感器顯示的壓力為，下底板的傳感器顯示的壓力為10.0N。(取取g=10 m/s2)(1)若上頂板傳感器的示數(shù)是下底板若上頂板傳感器的示數(shù)是下底板傳感器的示數(shù)的一半，傳感器的示數(shù)的一半， 試判斷箱的試判斷箱的運(yùn)動(dòng)情況。運(yùn)動(dòng)情況。(2)要使上頂板傳感器的示數(shù)為零要使上頂板傳感器的示數(shù)為零,箱箱沿豎直方向運(yùn)動(dòng)的情況可能是怎樣的？沿豎直方向運(yùn)動(dòng)的情況可能是怎樣的？m原來(lái)原來(lái)（1）（2）解：解：mF=10