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传感器及其应用

发布日期:2020-11-14 07:37

  传感器及其应用_物理_自然科学_专业资料。传感器及其工作原理 一、什么是传感器 阅读课本思考问题: (1)什么是传感器? 传感器是指这样一类元件:它能够感知诸 如力、温度、光、声、化学成分等非电学量, 并把它们按照一定的规律转化成电压、电

  传感器及其工作原理 一、什么是传感器 阅读课本思考问题: (1)什么是传感器? 传感器是指这样一类元件:它能够感知诸 如力、温度、光、声、化学成分等非电学量, 并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等 电学量,或转化为电路的通断 (2)传感器的作用是什么? 传感器的作用是把非电学量转化为电学量 或电路的通断,从而实现很方便地测量、传输、 处理和控制 一、什么是传感器 非 电 学 量 → 传 感 器 → 电 学 量 角度 位移 速度 压力 温度 湿度 声强 光照 电压 电流 传感器 电阻 电容 二、光敏电阻 阅读课本,思考问题: (1)光敏电阻的电阻率与什么有关? 光敏电阻的电阻率与光照强度有关。 (2)光敏电阻受到光照时会发生什么变化?怎样 解释? 光敏电阻受到光照时电阻会变小.硫化镉是一 种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能不 好;随着光照增强,载流子增多,导电性能变好 (3)光敏电阻能够将什么量转化为什么量? 光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量 三.热敏电阻和金属热电阻 阅读课本,思考问题: (1)金属导体与半导体材料的导电性能与温度 的变化关系是否相同? 不相同 半导体材料的导电性能随温度升高而变好 金属导体的导电性能随温度升高而降低 (2)热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点? 热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差,测 量范围较小;金属热电阻的化学稳定性较好,测 量范围较大,但灵敏度较差 (3)热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为 什么量? 将热学量(温度)转化为电阻这个电学量 插入电介质,电容增大 电容式传感器能够把位移这个力学量 转化为电容这个电学量。 四.霍尔元件 UH IB ? nqd 一个确定的霍尔元件的d、k为定值,再 保持I不变,则UH的变化就与B成正比。这样, 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化 为电压这个电学量。 课堂练习 有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件,将这 三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后,用黑 纸包住元件或者把元件置入热水中,观察欧姆表的示数, 下列说法中正确的是( ) A.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数变化 较大,这只元件一定是热敏电阻 B.置入热水中与不置入热水中相比,欧姆表示数不变 化,这只元件一定是定值电阻 C.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表 示数变化较大,这只元件一定是光敏电阻 D.用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比,欧姆表 示数相同,这只元件一定是定值电阻 AC 传感器应用的一般模式 驱动其他 元件工作 显示所测 量的数据 处理所测 量的数据 思考、为什么要经过放大转换电路? 1)传感器输出的信号相当微弱,难以直接带动 执行机构去实现控制; 2)输出的信号进行远距离传送时,为了抵御外 界干扰,必须先将信号转换为其他的电信号。 力传感器的应用——电子秤 (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 力传感器的应用——电子秤 1、电子秤使用的测力装置:力传感器 2、常见的一种力传感器: 应变片 金属梁 应变片是一种敏感元件,多用半导体材料制成 3、力传感器的工作原理: 拉伸R1 变大 两个应变片的 U1 形变引起电阻变化, 金 属 固 致使两个应变片的 梁 定 电压差变化,力F U2 压缩R2 越大,电压差就越 变小 大。 温度传感器的应用——电熨斗 1、电熨斗中的温度传感器对温度 的控制: 1)达到设定温度后将不再升温; 2)使用中温度降低后自动升温到设定温度; 3)根据衣物不同设定不同的温度。 2、电熨斗中的传感器:双金属片温度传感器 3、电熨斗的结构: 上层金属片的 热膨胀系数大于 下层的金属片。 双金属片温度传感器 思考:双金属片温度传感器的作用是什么? 作用:控制电路的通断 实验研究:报废的日光灯的启动器,去掉 外壳,在充有氖气的玻璃泡内,可以看到 一个U形的双金属片(动触片),其旁边有 一根直立的金属丝(静触片)。 常温下两触片处于分离,敲碎 玻璃泡,用火焰靠近双金属片,其 形状发生变化,并与直立的金属丝 接触;移走火焰,双金属片恢复原 状,两者分开。 ——相当于一个由温度控制通断的开关 电熨斗中的双金属片工作原理 常温下,上、下触点应是接触的还是分离的?当 温度过高时,双金属片将怎样起作用? 根据热胀冷缩,利用两 种金属的膨胀性能的不同, 常温下两触点接触,电路 连通,电热丝加热。升温 后双金属片形状发生变化, 上层比下层膨胀大,双金 属片向下弯曲,两触点处 于分离,电路断开,电热 丝停止加热。这样不断循 环,实现自动控制温度的 目的。 电熨斗中的双金属片工作原理 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的 温度,这是如何使用调温旋钮来实现的? 根据衣物的不同,调 节调温旋钮,使升降螺 丝上下移动,带动弹性 铜片的升降,从而改变 了两触点接触的难易程 度,实现控制温度不同 的目的。 温度传感器的应用——电饭锅 1、电饭锅中的温度传感器:主要 元件是感温铁氧体 2、感温铁氧体是用氧化锰MnO2、氧化锌ZnO和氧化 铁Fe2O3粉末混合烧结而成,特点是常温下具有铁 磁性,能够被磁体吸引;升温后,约达103℃ (称 为居里温度或居里点)时,就会失去磁性,不能被 磁体吸引。 3、电饭锅的结构: 电饭锅中的感温磁体工作原理 1、开始煮饭时,用手压下 开关按钮,利用感磁体常 温下的铁磁性,可知永磁 体与感温磁体将相吸,手 松开后,按钮不再恢复到 图示状态,即触点连通。 2、水沸腾后,锅内保持100℃不变,故感温磁体仍与 永磁体相吸,继续加热,锅内大致保持100℃不变。 3、饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温 度升至“居里点103℃”时,感温磁体失去铁磁性,在 弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源, 从而停止加热。当温度降低后,再次感温磁体与永磁 体相吸,继续加热· · · · · · 思考与讨论 请问生活中能用电饭锅烧开水吗? 如果用电饭锅烧 水,水沸腾后,锅 内保持1000C不变, 温度低于“居里点 1030C”,电饭锅不 能自动断电,只有 水烧干后,温度升 高到大约1030C时才 能自动断电。 光传感器的应用——火灾报警器 1、天花板上的火灾报警器:是利 用烟雾对光的散射来工作的 2、如图所示,带孔的罩子内装有发光二极管LED、 光电三极管(特性:强光下电阻将变小)和不透明的 挡板。平时,因挡板的作用,光电三极管收不到LED 发出的光,电阻较大;当有烟雾进入罩内,由于烟 雾对光的散射,使部 分光线照射到光电三 极管上,导致其电阻 变小。与之相连的电 路检测到这种变化, 就会发出警报。 实验研究 测量光照的强度:太阳光、烛光、 白炽灯光、日光灯的灯光等 科学漫步——机器人 来自BBC的报道,日本大阪大学科学家日前发明出 一种完全具有人类女性外貌的机器人“Repliee Q1”, “她”能眨眼,说话,做手势,甚至呼吸!皮肤则由 类似人类皮肤的硅化物覆盖而成。 加速度计 如图所示为一个加速度传感器,质量为m的滑块2可以在光 滑的框架1中平移,滑块两侧用弹簧3拉着,R为滑动变阻器,4 是滑动片,它与电阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离 成正比,两个电池E的电压相同,电压表指针的零点调在中央, 当P端的电势高于Q端时,指针向零点右侧偏转。当物体具有图 示方向的加速度a时,电压表的指针将向哪个方向偏转? 1、滑动片4指在变阻器正中 央时,P、Q等势,电压表指 在中央零刻度; 2、如图滑动片4向左端滑动, 左端电阻小,电流流过时电 势降落小,故Q点电势高于P, 电压表指针向零点左侧偏; 且加速度越大,偏转越大。 恒温箱 如图所示,用图甲的热敏电阻与继电器组成图乙所示的 一个简单恒温箱温控电路,继电器线Ω,当线圈 中的电流大于或等于20mA时,继电器的衔铁被吸合。继电器 供电的电池E=6V,内阻可不计。图中的电源为恒温箱加热器 的电源。则:1)应该把恒温箱的加热器接在A、B端还是C、D 端?2)要使箱内温度保持1000C,可变电阻R’的值应调节为多 少? 1、加热器应接在A、 B端,析:温度超过 后,R电阻减小,线 圈电流增大,衔铁 被吸合,与C、D接 通,A、B断开,加 热器停止加热。 2、可变电阻为100Ω 楼道灯光 1、楼道灯具的设置要求:晚上,有 声音时,电灯就发光; 2、同时使用两种传感器:声传感器 (微型驻极体话筒)和光传感器(光敏 电阻); 3、采用的逻辑电路是与门。 磁传感器 1、利用线性霍尔元件,测 量电流的大小: 2、利用开关型霍尔元件, 测量物体的转速: 课堂练习 1、关于电子秤中应变式力传感器的说法正确 的是( ABD ) A.应变片常用半导体材料制成 B.当应变片的表面拉伸时,其电阻变大反之, 变小 C.传感器输出的是应变片上的电压 D.外力越大,输出的电压差值也越大 课堂练习 2、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 课堂练习 3、电容式话筒将声音信号被话筒 转化为电信号,其中导致电容变化 的原因可能是容器两板间的( A ) A.距离变化 B.正对面积变化 C.介质变化 D.电压变化 课堂练习 4 、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 课堂练习 5. 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。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 ) A. 方向向左,大小为1kS/m B.方向向右,大小为1kS/m C.方向向左,大小为2kS/m D. 方向向右,大小为2kS/m 思考:若图中稳压电源为 U0 , 变阻器总长为 L ,试写出 U 与 U=mU0 a / 2kL∝a a 的函数关系式。 光控开关的工作原理 目的:使路灯天明熄灭,天暗自动开启 1、白天,光强度较大,光敏电阻RG电阻值较小,加 在斯密特触发器A端的电压较低,则输出端Y输出高 电平,发光二极管LED不导通; 2、当天色暗到一定程度, RG的阻值增大到一定值, 斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到某个值(如 1.6V),输出端Y突然从 高电平跳到低电平,则发 光二极管LED导通发光 非门 (相当于路灯亮了)。365bet, 电磁继电器的工作原理 当线圈 A中通电时,铁芯中产生磁场,吸引衔铁 B向下运动,从而带动动触点D向下与E接触,将工作 电路接通,当线圈A中电流为零时,电磁铁失去磁性, 衔铁B在弹簧作用下拉起,带动触点D与E分离,自动 切断工作电路。 控制电路的工作原理 1、天较亮时,光敏电阻RG阻值较小,斯密特触发器输入端A 电势较低,则输出端Y输出高电平,线圈中无电流,工作电路 不通; 2、天较暗时,光敏电阻RG电阻增大,斯密特触发器输入端A 电势升高,当升高到一定值,输出端Y由高电平突然跳到低电 平,有电流通过线圈A,电磁继电器工作,接通工作电路,使 路灯自动开启; 3、天明后,RG阻值减小, 斯密特触发器输入端A电势 逐渐降低,降到一定值, 输出端 Y突然由低电平跳 到高电平,则线圈A不再有 电流,则电磁继电器自动 切断工作电路的电源,路 灯熄灭。 思考与讨论 1、要想在天更暗时路灯才会亮,应该把R1的阻 值调大些还是调小些?为什么? R1的阻值调大些,这样要使斯密特触发器 的输入端A电压达到某个值(如1.6V),就需 要RG的阻值达到更大,即天色更暗。 2、用白炽灯模仿路灯,为 何要用到继电器? 由于集成电路允许通过 的电流较小,要用白炽灯泡 模仿路灯,就要使用继电器 来启闭工作电路。 温度报警器的工作原理 1、常温下,调整R1的阻值使斯密特触发器的输入 端A处于低电平,则输出端Y处于高电平,无电流 通过蜂鸣器,蜂鸣器不发声; 2、当温度升高时,热敏电阻RT阻值减小,斯密 特触发器输入端A电势升高,当达到某一值(高 电平),其输出端由高电平跳到低电平,蜂鸣器 通电,从而发出报警声,Rl的阻值不同,则报警 温度不同。 思考与讨论 怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警? 应减小R1的阻值,R1 阻值越小,要使斯密特触 发器输入端达到高电平, 则热敏电阻阻值要求越小, 即温度越高. 课堂练习 1、现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、 滑动变阻器、开关和导线若干.如图所示,试设 计一个温控电路。要求温度低于某一温度时,电 炉丝自动通电供热,超过某一温度时,又可以自 动断电,画出电路图说明工作过程。 工作过程:闭合S当温度低于设计值时热敏 电阻阻值大,通过电磁继电器电流不能使它工作, K接通电炉丝加热.当温度达到设计值时,热敏 电阻减小到某值,通过电磁继电器的电流达到工 作电流,K断开,电炉丝断电,停止供热.当温 度低于设计值,又重复前述过程. 课堂练习 2、用如图所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。

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