高中通用技術(shù)：《傳感器的應(yīng)用》教學(xué)

一 般 情 況 下 傳 感 器 產(chǎn) 生 的 電 壓 （ 流 ） 等電 學(xué) 物 理 量 的 信 號 值 都 相 當(dāng) 微 弱 的 ， 難 以帶 動 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 去 實(shí) 現(xiàn) 控 制 動 作 ， 所 以 一 般都 是 將 傳 感 器 和 各 種 門 電 路 、 放 大 電 路 等結(jié) 合 在 一 起 使 用 的 。 傳感器應(yīng)用的一般模式 （ 1） 電 子 秤 使 用 的 測 力 裝 置 是 什 么 ？它 是 由 什 么 元 件 組 成 的 ？（ 2） 簡 述 力 傳 感 器 的 工 作 原 理 。（ 3） 應(yīng) 變 片 能 夠 把 什 么 力 學(xué) 量 轉(zhuǎn) 化 為什 么 電 學(xué) 量 ？ 應(yīng) 變 片 能 夠 把 物 體 形 變 這 個 力 學(xué) 量 轉(zhuǎn) 化 為 電 壓 這 個 電學(xué) 量 （ 輸 出 應(yīng) 變 片 上 下 表 面 的 電 壓 差 值 ） 形 變（ 力 學(xué) 量 ） 電 壓（ 電 學(xué) 量 ） 轉(zhuǎn) 換金 屬 梁 1.關(guān) 于 電 子 秤 中 應(yīng) 變 式 力 傳 感 器 的 說 法 正確 的 是 （ ）A.應(yīng) 變 片 多 用 半 導(dǎo) 體 材 料 制 成B.當(dāng) 應(yīng) 變 片 的 表 面 拉 伸 時 ， 其 電 阻 變 大 ；反 之 ， 變 小C.傳 感 器 輸 出 的 是 應(yīng) 變 片 上 的 電 壓D.外 力 越 大 ， 輸 出 的 電 壓 差 值 也 越 大A B D 2： （ 2003上 海 考 題 ） 演 示 位 移 傳 感 器 的 工 作 原 理如 右 圖 示 ， 物 體 M在 導(dǎo) 軌 上 平 移 時 ， 帶 動 滑 動 變 阻 器的 金 屬 滑 桿 p， 通 過 電 壓 表 顯 示 的 數(shù) 據(jù) ， 來 反 映 物 體位 移 的 大 小 x。 假 設(shè) 電 壓 表 是 理 想 的 ， 則 下 列 說 法 正確 的 是 ( )A. 物 體 M運(yùn) 動 時 ， 電 源 內(nèi) 的 電 流 會 發(fā) 生 變 化B. 物 體 M運(yùn) 動 時 ， 電 壓 表 的 示 數(shù) 會 發(fā) 生 變 化C. 物 體 M不 動 時 ， 電 路 中 沒 有 電 流D. 物 體 M不 動 時 ， 電 壓 表 沒 有 示 數(shù)B 1、 動 圈 式 話 筒 ：膜 片 在 聲 波 下 振 動 ， 使 得與 膜 片 相 連 的 線 圈 中 產(chǎn) 生 周 期性 變 化 的 感 應(yīng) 電 流 。2、 電 容 式 話 筒 ：金 屬 膜 片 M 和 固 定 電 極 N 形 成 一 個 電 容 器 ,M 在 聲 波 作 用 下 振 動 ,電 容器 的 電 容 作 周 期 性 變 化 ， 電 阻 R 兩 端的 電 壓 也 做 相 應(yīng) 的 周 期 性 變 化 。 絕 緣 支 架 例 題 ： （ 2003上 海 試 題 ） 唱 卡 拉 OK用 的 話 筒 ， 內(nèi) 有傳 感 器 。 其 中 有 一 種 是 動 圈 式 的 ， 它 的 工 作 原 理 是 在彈 性 膜 片 后 面 粘 接 一 個 輕 小 的 金 屬 線 圈 ， 線 圈 處 于 永磁 體 的 磁 場 中 ， 當(dāng) 聲 波 使 膜 片 前 后 振 動 時 ， 就 將 聲 音信 號 轉(zhuǎn) 變 為 電 信 號 。 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 時 ， 穿 過 金 屬 線 圈 的 磁 通 量 不 變D 膜 片 振 動 時 ， 金 屬 線 圈 中 不 會 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動 勢B 金 屬板金 屬膜 振 動膜 外 電路圖 5 例 題 ： 如 圖 是 電 容 式 話 筒 的 示 意 圖 ， 它 是 利 用 電 容制 作 的 傳 感 器 ， 話 筒 的 振 動 膜 前 面 鍍 有 薄 薄 的 金 屬 層， 膜 后 距 膜 幾 十 微 米 處 有 一 金 屬 板 ， 振 動 膜 上 的 金 屬層 和 這 個 金 屬 板 構(gòu) 成 電 容 器 的 兩 極 ， 在 兩 極 間 加 一 電壓 U， 人 對 著 話 筒 說 話 時 ， 振 動 膜 前 后 振 動 ， 使 電 容發(fā) 生 變 化 ， 導(dǎo) 致 話 筒 所 在 電 路 中 的 其 它 量 發(fā) 生 變 化 ，使 聲 音 信 號 被 話 筒 轉(zhuǎn) 化 為 電 信 號 ， 其 中 導(dǎo) 致 電 容 變 化的 原 因 可 能 是 容 器 兩 板 間 的 （ ）（ A） 距 離 變 化 （ B） 正 對 面 積 變 化（ C） 介 質(zhì) 變 化 （ D） 電 壓 變 化A 3、 駐 極 體 話 筒 ：它 由 內(nèi) 部 的 駐 極 體 塑 料 膜 感 受 聲 波 ， 其 工 作 原 理與 電 容 式 話 筒 類 似 ， 但 是 工 作 的 電 壓 只 須 3 6 V， 特 點(diǎn) ： 體 積 小 ， 重 量 輕 ， 價 格 便 宜 ， 靈 敏 度 高 ，常 用 在 盒 式 錄 音 機(jī) 、 聲 控 玩 具 等 便 宜 的 家 電 上 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 ： 電 燙 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 升 高 或 降 低 電 燙 斗 的 工 作溫 度 ？ 練 習(xí) 、 如 圖 所 示 是 一 種 熱 敏 電 阻 （ PTC元 件 ） 的 電 阻R隨 溫 度 t變 化 的 關(guān) 系 圖 線 ， 這 種 元 件 具 有 發(fā) 熱 、 控 溫 雙重 功 能 常 見 的 電 熱 滅 蚊 器 中 就 使 用 這 種 元 件 來 加 溫 并控 制 溫 度 如 果 將 該 元 件 接 到 220V恒 定 電 壓 下 ， 則A 通 電 后 ， 其 電 功 率 先 增 大 后 減 小B 通 電 后 ， 其 電 功 率 先 減 小 后 增 大C 當(dāng) 其 發(fā) 熱 功 率 等 于 散 熱 功 率 時 ， 溫 度 保 持 在 t1不 變D 當(dāng) 其 發(fā) 熱 功 率 等 于 散 熱 功 率 時 ， 溫 度 保 持 在 t1 到 t2之 間 的 某 一 值 不 變 t/R t2t1AD M思 考 與 討 論 ：1、 為 什 么 溫 度 較 高 時 壓 縮 機(jī) 自 動 工 作 ， 達(dá) 到 設(shè) 定 低 溫后 就 自 動 停 止 工 作 ？2、 凸 輪 為 什 么 可 以 改 變 設(shè) 定 的 溫 度 ？氯 甲 烷 及 它 的 蒸 氣 思 考 與 討 論 ：1、 應(yīng) 該 把 恒 溫 箱 中 的 加 熱 器 接 在 A、 B 還 是 C、 D 之 間 呢 ？2、 要 使 箱 內(nèi) 溫 度 保 持 100 ， 可 變 電 阻 R值 應(yīng) 調(diào)節(jié) 多 大 ？ 感溫鐵氧體的“居里點(diǎn)”：感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，但溫度升高到103時便失去了鐵磁性，這個溫度稱為這種材料的“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。電飯鍋的構(gòu)造思考與討論：開始做飯時為什么要壓下開關(guān)按鈕？若用電飯鍋燒水，水在沸騰以后是否會自動斷電？ 用溫度傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)換為電信號。測溫元件可以是熱敏電阻、金屬熱電阻、熱電偶、紅外線敏感元件等。電信號可以遠(yuǎn)距離輸送，因而溫度傳感器可以遠(yuǎn)距離讀取溫度。 將微機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所配的溫度傳感器與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、畫圖的智能化功能。 鼠標(biāo)中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標(biāo)移動時，滾球帶動 x、y 方向兩個碼盤轉(zhuǎn)動，紅外管接收到一個個紅外線脈沖。計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì) x、y 兩個方向上的脈沖信號，就能確定鼠標(biāo)的位置。 光電三極管是煙霧火警報警器中的光傳感器。平時，發(fā)光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時，煙霧對光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報警電路工作。 小 結(jié)1、 溫 度 傳 感 器 的 應(yīng) 用 （ 1） 電 飯 鍋（ 2） 測 溫儀2、 光 傳 感 器 的 應(yīng) 用 （ 1） 鼠 標(biāo) 器（ 2） 火 災(zāi) 報 警 器 35 33121 RRR URRR U t 圖 1為 某 一 熱 敏 電 阻 R(電 阻 值 隨 溫 度 的 改 變 而改 變 ， 且 對 溫 度 很 敏 感 )的 I-U關(guān) 系 曲 線 圖 。 為 了 通 過 測 量 得 到 圖 1所 示 I-U關(guān) 系 的 完 整 曲 線 ， 在 圖 2和 圖 3兩個 電 路 中 應(yīng) 選 擇 的 是 圖 ； 簡 要 說 明 理 由 ： 。 （ 電 源 電 動 勢 為9V， 內(nèi) 阻 不 計(jì) ， 滑 線 變 阻 器 的 阻 值 為 0-100 ） 在 圖 4電 路 中 ， 電 源 電 壓 恒 為 9V， 理 想 電 流 表 讀 數(shù) 為 70mA， 定值 電 阻 R1=250 。 由 熱 敏 電 阻 的 I-U關(guān) 系 曲 線 可 知 ， 熱 敏 電 阻 兩 端的 電 壓 為 _V； 電 阻 R2的 阻 值 為 。 舉 出 一 個 可 以 應(yīng) 用 熱 敏 電 阻 的 例 子 ： _。2電 壓 可 從 0V調(diào) 到 所 需 電 壓 ， 調(diào) 節(jié) 范 圍 較 大 解 : I 1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA 由 圖 1得 UR=5.2V 5.2 R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 111.6112.0熱 敏 溫 度 計(jì) V A圖 2 V A圖 3I/mA U/V1 2 3 4 5 6 7500 圖 110203040 AR1 R2 熱敏電阻圖 4 R9V 車 輪 的 半 徑 R和 齒 輪 P PRn2PRN2 Pnf PRnv 2 PNf PRNs 2 3.如 圖 所 示 為 光 敏 電 阻 自 動 計(jì) 數(shù) 器 的 示 意 圖 ， 其 中 A是發(fā) 光 儀 器 ， B是 傳 送 帶 上 物 品 ， R1為 光 敏 電 阻 ， R2為 定 值電 阻 ， 此 光 電 計(jì) 數(shù) 器 的 基 本 工 作 原 理 是 （ ）（ A） 當(dāng) 有 光 照 射 R1時 ， 信 號 處 理 系 統(tǒng) 獲 得 高 電 壓（ B） 當(dāng) 有 光 照 射 R1時 ， 信 號 處 理 系 統(tǒng) 獲 得 低 電 壓（ C） 信 號 處 理 系 統(tǒng) 每 獲 得 一 次 低 電 壓 就 記 數(shù) 一 次（ D） 信 號 處 理 系 統(tǒng) 每 獲 得 一 次 高 電 壓 就 記 數(shù) 一 次B D R2A R1 信 號 處理 系 統(tǒng) 圖 3 B 力 電 轉(zhuǎn) 換 器 輸 出輸 入 受 壓 面 4： 某 學(xué) 生 為 了 測 量 一 個 物 體 的 質(zhì) 量 ， 找 到 一 個 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k） 如 圖 所 示 ， 測 量 時 先 調(diào) 節(jié) 輸 入 端 的 電 壓 ， 使 轉(zhuǎn) 換 器 空 載 時的 輸 出 電 壓 為 0； 而 后 在 其 受 壓 面 上 放 上 物 體 ， 即 可 測 得 與 物體 的 質(zhì) 量 成 正 比 的 輸 出 電 壓 U?，F(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 變 阻 器 、 干 電 池 一 個 、 電 鍵 及 導(dǎo) 線 若 干 、 待 測 物 體 （ 可 置 于力 電 轉(zhuǎn) 換 器 的 受 壓 面 上 ） 。 請 完 成 對 該 物 體 的 測 量 m。（ 1） 設(shè) 計(jì) 一 個 電 路 ， 要 求 力 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 量 電 路 圖 。（ 2） 簡 要 說 明 測 量 步 驟 ， 求 出 比 例 系 數(shù) k， 并 測 出 待 測 物 體的 質(zhì) 量 m。（ 3） 請 設(shè) 想 實(shí) 驗(yàn) 中 可 能 會 出 現(xiàn) 的 一 個 問 題 。 力 電 轉(zhuǎn) 換 器 輸 出輸 入 受 壓 器S VR 解 析 ： （ 1） 設(shè) 計(jì) 的 電 路 圖 如 圖 所 示 ， 輸 入 電 壓 采 用分 壓 接 法 目 的 是 讓 電 壓 可 調(diào) 范 圍 盡 可 能 大 。（ 2） 測 量 步 驟 ： 調(diào) 節(jié) 滑 動 變 阻 器 ， 使 轉(zhuǎn) 換 器 的 輸 出 電 壓 為 零 。 將 質(zhì) 量 為 m0的 砝 碼 放 在 轉(zhuǎn) 換 器 上 ， 記 下 輸 出 電 壓 U0。 將 待 測 物 體 放 在 轉(zhuǎn) 換 器 上 ， 記 下 輸 出 電 壓 U1， 由U0=km0g得 k=U0/m0g， 測 得 U1=kmg， 所 以m=m0U1/U0。 （ 3） 可 能 出 現(xiàn) 的 問 題 因 電 源 電 壓 不 夠 而 輸 出 電 壓調(diào) 不 到 零 。 待 測 物 體 質(zhì) 量 超 出 轉(zhuǎn) 換 器 量 程 。 練 習(xí) ： 慣 性 制 導(dǎo) 系 統(tǒng) 已 廣 泛 應(yīng) 用 于 導(dǎo) 彈 工 程 中 ， 這 個系 統(tǒng) 的 重 要 元 件 是 加 速 度 計(jì) 。 加 速 度 計(jì) 的 構(gòu) 造 和 原 理的 示 意 圖 如 圖 示 ， 沿 導(dǎo) 彈 長 度 方 向 安 裝 的 固 定 光 滑 桿上 套 一 個 質(zhì) 量 為 m的 滑 塊 ， 滑 塊 的 兩 側(cè) 分 別 與 勁 度 系 數(shù)均 為 k的 彈 簧 相 連 ， 兩 彈 簧 的 另 一 端 與 固 定 壁 相 連 。 滑塊 原 來 靜 止 ， 彈 簧 處 于 自 然 長 度 。 滑 塊 上 有 指 針 ， 可通 過 標(biāo) 尺 測 出 滑 塊 的 位 移 ， 然 后 通 過 控 制 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 制導(dǎo) 。 設(shè) 某 段 時 間 內(nèi) 導(dǎo) 彈 沿 水 平 方 向 運(yùn) 動 ， 指 針 向 左 偏離 O點(diǎn) 的 距 離 為 S， 則 這 段 時 間 內(nèi) 導(dǎo) 彈 的 加 速 度 （ ） A. 方 向 向 左 ， 大 小 為 k S/m B 方 向 向 右 ， 大 小 為 k S/m C 方 向 向 左 ， 大 小 為 2k S/m D. 方 向 向 右 ， 大 小 為 2k S/m 010 10 UPD (2)若 電 位 器 （ 可 變 電 阻 ） 總 長 度 為 L， 其 電 阻 均 勻 ，兩 端 接 在 穩(wěn) 壓 電 源 U0上 ， 當(dāng) 導(dǎo) 彈 以 加 速 度 a沿 水 平 方 向運(yùn) 動 時 ， 與 滑 塊 連 接 的 滑 動 片 P產(chǎn) 生 位 移 ， 此 時 可 輸 出一 個 電 信 號 U， 作 為 導(dǎo) 彈 慣 性 制 導(dǎo) 系 統(tǒng) 的 信 息 源 ， 為控 制 導(dǎo) 彈 運(yùn) 動 狀 態(tài) 輸 入 信 息 ， 試 寫 出 U與 a 的 函 數(shù) 關(guān) 系式 。 010 10 UP U 0解 ： a=2kx/m x=ma/2kU=U0 Rx / R = U0 x / L=maU0 / 2kL=mU0 a / 2kL a 練 習(xí) :可 測 量 飛 機(jī) 、 航 天 器 、 潛 艇 的 轉(zhuǎn) 動 角 速 度 ,其 結(jié) 構(gòu)如 圖 所 示 。 當(dāng) 系 統(tǒng) 繞 軸 OO 轉(zhuǎn) 動 時 ， 元 件 A發(fā) 生 位 移并 輸 出 相 應(yīng) 的 電 壓 信 號 ， 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 m， 彈 簧 的 勁 度 系 數(shù) 為 k、 自 然 長 度 為 l， 電 源 的 電 動 勢 為 E、 內(nèi) 阻 不 計(jì) 。 滑 動變 阻 器 總 長 也 為 l ， 電 阻 分 布 均 勻 ， 系 統(tǒng) 靜 止 時 P在 B點(diǎn)， 當(dāng) 系 統(tǒng) 以 角 速 度 轉(zhuǎn) 動 時 ， 試 寫 出 輸 出 電 壓 U與 的 函 數(shù) 式 。 A S P CBOO輸 出 電 壓 U解 ： 設(shè) 彈 簧 伸 長 x , 則 kx=m 2(l+x) x= m 2 l ( k-m 2 )設(shè) 滑 動 變 阻 器 單 位 長 度 的 電 阻 為 r1 U=IRx=Exr1 / l r1= Ex/ l U= Em 2 (k-m 2) 121 maFF 練 習(xí) ： 將 金 屬 塊 m用 壓 縮 的 輕 彈 簧 卡 在 一 個 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 。 當(dāng) 箱 以 a=2.0 m/s2的 加 速 度 豎 直 向 上 做 勻 減 速 運(yùn) 動 時 ， 上 頂 板 的傳 感 器 顯 示 的 壓 力 為 6.0N， 下 底 板 的 傳 感 器 顯 示 的壓 力 為 10.0N。 (取 g=10 m/s2)(1)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 ， 試 判 斷 箱 的 運(yùn)動 情 況 。(2)要 使 上 頂 板 傳 感 器 的 示 數(shù) 為 零 ,箱沿 豎 直 方 向 運(yùn) 動 的 情 況 可 能 是 怎 樣 的 ？ m 原 來 （ 1） （ 2）解 ：m向 上 做 勻 減 速運(yùn) 動 a向 下a=2m/s2 F=10NF1 =6Nmg amg+F 1-F=mam=0.5kg 上 頂 板 示 數(shù) 是 下底 板 示 數(shù) 的 1/2彈 簧 長 度 不 變F=10N F2=5NFmg F2 a2mg+F2-F=ma2a2=0靜 止 或 勻 速 運(yùn) 動 上 頂 板 示 數(shù) 為 零 ，則 彈 簧 變 短 ，F(xiàn)10N F3=0Fmg a3F mg = ma3a3 10m/s2向 上 加 速 或 向下 減 速 ， 加 速度 a 10m/s2。