實驗十一傳感器的簡單應用.ppt

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實驗十一傳感器的簡單應用 要點歸納 實驗目的 1 體會傳感器在實際生活中的應用 2 了解斯密特觸發(fā)器的工作特點 能夠分析光控電路和溫控電路的工作原理 實驗原理 1 原理 通過對某一物理量敏感的元件 將感受到的物理量按一定規(guī)律轉換成便于測量的量 例如 光電傳感器利用光敏電阻將光信號轉換成電信號 熱電傳感器利用熱敏電阻將溫度信號轉換成電信號 2 傳感器的分類 目前對傳感器尚無一個統(tǒng)一的分類方法 常用的分類方法有兩個 1 按輸入量分類 如輸入量分別為溫度 壓力 位移 速度 加速度等非電學量時 相應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 2 按傳感器的工作原理分類 可分為電阻傳感器 電容傳感器 電感傳感器 電壓傳感器 霍爾傳感器 光電傳感器 光柵傳感器等 3 傳感器的元件 制作傳感器時經常使用的元件有光敏電阻 熱敏電阻 金屬熱電阻 霍爾元件等 1 光敏電阻 光敏電阻能把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量 特性 光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化 光照增強 電阻變小 光照減弱 電阻增大 工作原理 光敏電阻是用半導體材料制成的 硫化鎘在無光時 載流子 導電電荷 極少 導電性能不好 隨著光照的增強 載流子也增多 導電性能變好 2 熱敏電阻和金屬熱電阻 熱敏電阻或金屬熱電阻能把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量 特性 金屬的電阻率隨溫度的升高而增大 用金屬絲可以制作溫度傳感器 稱為熱電阻 有些半導體 電阻率隨溫度的變化非常明顯 溫度上升時 有些半導體的導電能力增強 圖1 電阻 溫度特性曲線 如圖1所示 a金屬導線 b熱敏電阻 3 霍爾元件 霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量 特性 霍爾電壓UH 式中d為薄片的厚度 k為霍爾系數 它的大小與薄片的材料有關 一個霍爾元件的d k為定值 再保持I恒定 則UH的變化就與B成正比 如圖2所示 圖2 工作原理 外部磁場使運動的載流子受到洛倫茲力 在導體板的一側聚集 在導體板的另一側會出現(xiàn)多余的另一種電荷 從而形成橫向電場 橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力 當靜電力與洛倫茲力達到平衡時 導體板左右兩側會形成穩(wěn)定的電壓 實驗器材 斯密特觸發(fā)器 光敏電阻 發(fā)光二極管 LED 可變電阻 定值電阻 熱敏電阻 蜂鳴器 集成電路實驗板 注意事項 由于集成電路允許通過的電流較小 要用白熾燈泡模仿路燈 就要使用繼電器來啟閉工作電路 典例剖析 例1 如圖5甲是某同學設計的電容式速度傳感器原理圖 其中上板為固定極板 下板為待測物體 在兩極板間電壓恒定的條件下 極板上所帶電荷量Q將隨待測物體的上下運動而變化 若Q隨時間t的變化關系為Q a b為大于零的常數 其圖象如圖乙所示 那么圖丙 圖丁中反映極板間場強大小E和物體速率v隨t變化的圖線可能是 圖3 A 和 B 和 C 和 D 和 本題解題的關鍵點是 1 電容器的基本公式U 2 勻強電場中滿足E 3 根據函數確定圖象大致形狀 思路點撥 解析平行板電容器間電壓恒定 板間場強E 故E Q 即E 故 可能正確 板間電荷量Q UC U 與已知Q隨時間的變化關系對比可知d t a 即待測物體的運動為勻速運動 故 可能正確 答案C 變式練習1如圖4所示是電飯鍋的結構 試回答下列問題 1 開始煮飯時為什么要壓下開關按鈕 手松開后這個按鈕是否會恢復到圖示的狀態(tài) 為什么 2 煮飯時水沸騰后鍋內是否會大致保持一定的溫度 為什么 圖4 3 飯熟后 水分被大米吸收 鍋底的溫度會有什么變化 這時電飯鍋會自動地發(fā)生哪些動作 4 如果用電飯鍋燒水 能否在水沸騰后自動斷電 為什么 答案 1 開始煮飯時壓下手動開關 使永磁體和感溫磁體吸合 以保持觸點接觸 接通電熱電路 手松開后這個按鈕不會恢復到圖示狀態(tài) 因為永磁體與感溫磁體相互吸引 彈簧的彈力不能使永磁體恢復原狀態(tài) 2 水沸騰后 鍋內的溫度應大致保持在100 因為水的沸點是100 此時水分未被米吸收完 鍋內水分較充足 所以能保持一段時間 3 飯熟后 水分被大米吸收 鍋底溫度會由100 升到103 達到居里點 此時開關按鈕會自動彈起 斷開加熱電路 進入保溫狀態(tài) 因為鍋底溫度達到103 時 感溫磁體失去磁性 永磁體再不能與它吸合 在彈簧的作用下 開關按鈕恢復初始狀態(tài) 4 如果用電飯鍋燒水 水沸騰后不能自動斷電 因為水沸騰的溫度是100 而不能達到103 居里點 水將一直沸騰直到燒干 例2 如圖5所示 圖甲為熱敏電阻的R t圖象 圖乙為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路 繼電器的電阻為100 當線圈的電流大于或等于20mA時 繼電器的銜鐵被吸合 為繼電器線圈供電的電池的電動勢E 9 0V 內阻可以不計 圖中的 電源 是恒溫箱加熱器的電源 問 圖5 1 應該把恒溫箱內的加熱器接在 填 A B 端或 C D 端 2 如果要使恒溫箱內的溫度保持50 可變電阻R 的阻值應調節(jié)為 解析恒溫箱內的加熱器應接在A B端 當線圈中的電流較小時 繼電器的銜鐵在上方 恒溫箱的加熱器處于工作狀態(tài) 恒溫箱內溫度升高 隨著恒溫箱內溫度升高 熱敏電阻R的阻值變小 則線圈中的電流變大 當線圈的電流大于或等于20mA時 繼電器的銜鐵被吸到下方來 則恒溫箱加熱器與電源斷開 加熱器停止工作 恒溫箱內溫度降低 隨著恒溫箱內溫度降低 熱敏電阻R的阻值變大 則線圈中的電流變小 當線圈的電流小于20mA時 繼電器的銜鐵又被釋放到上方 則恒溫箱加熱器又開始工作 這樣 就可以使恒溫箱內保持在某一溫度 要使恒溫箱內的溫度保持50 即50 時線圈內的電流為20mA 由閉合電路歐姆定律I r為繼電器的電阻 由圖甲可知 50 時熱敏電阻的阻值為90 所以R R r 260 答案 1 A B端 2 260 變式練習2傳感器擔負著信息的采集任務 在自動控制中發(fā)揮著重要作用 傳感器能夠將感受到的物理量 如溫度 光 聲等 轉換成便于測量的量 通常是電學量 例如熱敏傳感器 主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻 熱敏電阻阻值隨溫度變化的圖線如圖6甲所示 圖乙是由熱敏電阻Rt作為傳感器制作的簡單自動報警器的線路圖 問 圖6 1 為了使溫度過高時報警器鈴響 c應接在 填a或b 2 若使啟動報警的溫度提高些 應將滑動變阻器滑片P點向移動 填左或右 3 如果在調試報警器達最低報警溫度時 無論如何調節(jié)滑動變阻器滑片P都不能使報警器工作 且電路連接完好 各電路元件都能處于工作狀態(tài) 則造成工作電路實際不能工作的原因可能是 答案 1 a 2 左 3 可能是乙圖中左邊電源電壓太低或者線圈的匝數太少或者彈簧的勁度系數太大等 例3 如圖7所示為某種電子秤的原理示意圖 AB為一均勻的滑動變阻器 阻值為R 長度為L 兩邊分別有P1 P2兩個滑動頭 P1可在豎直絕緣光滑的固定桿MN上保持水平狀態(tài)而上下自由滑動 彈簧處于原長時 P1剛好指著A端 P1與托盤固定相連 若P1 P2間出現(xiàn)電壓時 該電壓經過放大 通過信號轉換器后在顯示屏上可顯示物體重力的大小 已知彈簧的勁度系數為k 托盤自身質量為m0 電源電動勢為E 內阻不計 當地的重力加速度為g 求 圖7 1 托盤尚未放物體時 在托盤自身重力作用下 P1離A的距離x1 2 托盤上放有質量為m的物體時 P1離A的距離x2 3 在托盤上未放物體時通常先校準零點 其方法是 調節(jié)P2 使P2離A的距離也為x1 從而使P1 P2間的電壓為零 校準零點后 將物體m放在托盤上 試推導出物體質量m與P1 P2間的電壓U之間的函數關系式 解析 1 彈簧處于原長時 P1剛好指著A端 在托盤自身重力作用下 托盤自身質量為m0 P1離A的距離為x1 由力學平衡知識得m0g kx1 解得x1 2 由受力分析可知 m0g mg kx2 解得x2 3 當托盤上放有質量為m的物體時 P1離P2的距離為x2 x1 滑動變阻器與電源組成的電路中電流恒定 電源內阻不計 由閉合電路歐姆定律可知I P1 P2間電壓U IR12 x2 x1 可解得m 答案 1 2 3 m 例4 用如圖8所示的裝置可以測量汽車在水平路面上做勻加速直線運動的加速度 該裝置是在矩形箱子的前 后壁上各安裝一個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個質量為2 0kg的滑塊 滑塊可無摩擦滑動 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)將裝置沿運動方向固定在汽車上 傳感器b在前 傳感器a在后 汽車靜止時 傳感器a b的示數均為10N g取10m s2 1 若傳感器a的示數為14N b的示數為6 0N 求此時汽車的加速度大小和方向 2 當汽車以怎樣的加速度運動時 傳感器a的示數為零 圖8 解析傳感器上所顯示出力的大小 即彈簧對傳感器的壓力 據牛頓第三定律知 此即為彈簧上的彈力大小 亦即該彈簧對滑塊的彈力大小 1 如右圖所示 依題意 左側彈簧對滑塊向右的推力F1 14N 右側彈簧對滑塊的向左的推力F2 6 0N 3分 滑塊所受合力產生加速度a1 根據牛頓第二定律有F1 F2 ma1 3分 得a1 m s2 4m s2 2分 a1與F1同方向 即向前 向右 2分 2 a傳感器的讀數恰為零 即左側彈簧的彈力F1 0 因兩彈簧相同 左彈簧伸長多少 右彈簧就縮短多少 所以右彈簧的彈力變?yōu)镕2 20N 3分 滑塊所受合力產生加速度 由牛頓第二定律得F合 F2 ma2 3分 得a2 10m s2負號表示方向向后 向左 2分 答案 1 4m s2向右 2 10m s2向左 素能提升 1 關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的D 以上說法都不正確解析半導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 所以A錯 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 化學成分等非電學量 所以C錯 B 2 在街旁的路燈 江海里的航標都要求在夜晚亮 白天熄 利用半導體的電學特性制成了自動點亮 熄滅的裝置 實現(xiàn)了自動控制 這是利用半導體的 A 壓敏性B 光敏性C 熱敏性D 三種特性都利用解析街旁的路燈和江海里的航標 都是利用了半導體的光敏性 夜晚電阻大 白天電阻小 控制了電路的通斷 B 3 下列說法中正確的是 A 話筒是一種常用的聲音傳感器 其作用是將電信號轉換為聲信號B 電熨斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器 這種傳感器的作用是控制電路的通斷C 電子秤所使用的測力裝置是力傳感器D 半導體熱敏電阻常用作溫度傳感器 因為溫度越高 它的電阻值越大解析話筒是將聲信號轉換為電信號 A錯誤 半導體熱敏電阻常用作溫度傳感器 因為溫度越高 它的電阻值越小 D錯誤 BC 4 在如圖9所示的電路中 電源兩端的電壓恒定 L為小燈泡 R為光敏電阻 LED為發(fā)光二極管 電流越大 發(fā)出的光越強 且R與LED相距不變 下列說法正確的是 A 當滑動觸頭P向左移動時 L消耗的功率增大B 當滑動觸頭P向左移動時 L消耗的功率減小C 當滑動觸頭P向右移動時 L消耗的功率可能不變D 無論怎樣移動觸頭P L消耗的功率都不變 圖9 解析觸頭P左移 使其電阻減小 流過二極管的電流增大 從而發(fā)光增強 使光敏電阻R減小 最終達到增大流過燈泡電流的效果 答案A 5 如圖10所示 是一個測定液體高度的傳感器 在導線芯的外面涂上一層絕緣物質 放在導電液中 導線芯和導電液構成電容器的兩極 把這兩極接入外電路 當外電路中的電流變化使電容值增大時 則導電液體深度h變化為 A h增大B h減小C h不變D 無法確定 圖10 解析由題意知 導線芯和導電液體構成電容器的兩極 類似于平行板電容器的兩極 當液面高度發(fā)生變化時相當于兩極正對面積發(fā)生變化 會引起電容的變化 與平行板電容器類比可得 導電液體深度h增大時 導線芯和導電液體正對面積增大 電容器的電容值變大 答案A 6 一熱敏電阻阻值隨溫度變化的圖象如圖11甲所示 請應用這一熱敏電阻自行設計一控制電路 當溫度高于某一值后紅色指示燈亮 而溫度低于這一值時綠色指示燈亮 并且說明滑動變阻器的作用 圖11 給你的器材有 如圖乙所示的繼電器一只 a b為常閉觸點 c d為常開觸點 熱敏電阻一只 滑動變阻器一只 紅 綠指示燈各一個 兩個獨立的電池組 開關兩個 導線若干 答案 1 設計的電路圖如下圖所示 2 此方案中滑動變阻器的作用 主要是通過調節(jié)滿足對熱敏電阻的要求 返回