高三物理選修3-2第六章傳感器課件人教版

1、傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）的一種組件，起自動(dòng)控制作用。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成，如：,一、傳感器的含義,,轉(zhuǎn)換器件,,敏感元件,,轉(zhuǎn)換電路,,第六章 傳感器,2.熱電傳感器:熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化的原理把熱學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號(hào)制成的，如各種家用電器（空調(diào)、冰箱、熱水器、飲

2、水機(jī)、電飯煲等）的溫度控制、火警報(bào)警器、恒溫箱等。,３.光電傳感器:光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管。如果是光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的變化而變化的原理把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)制成的。如自動(dòng)沖水機(jī)、路燈的控制、光電計(jì)數(shù)器、煙霧報(bào)警器等都是利用了光電傳感器的原理。,4.聲電傳感器:聲電傳感器是利用電磁感應(yīng)的原理把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。如動(dòng)圈式話筒、電容式話筒等。,5.電容式傳感器:電容器的電容C決定于極板的正對(duì)面積S、極板間距離d以及極

3、板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的變化能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，則通過(guò)測(cè)定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化，起這種作用的電容器稱為電容式傳感器。,6.電感傳感器: 電感式傳感器是利用線圈的自感或互感的變化來(lái)測(cè)量或控制的一種裝置把磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用磁體的某些現(xiàn)象。,二、傳感器的分類,1.力電傳感器：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

4、度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(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ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等。,（1）測(cè)物體的質(zhì)量,1.力電傳感器,三、幾種類型的傳感器的應(yīng)用實(shí)例分析,（2）測(cè)物體加速度（加速度計(jì)）,例1：加速度計(jì)是測(cè)定物體加速度的儀器，它已成為導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇后宇宙飛船制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。如圖為應(yīng)變式加速度計(jì)示意圖，當(dāng)系統(tǒng)加速時(shí)，加速度計(jì)中的敏感元件也處于加速

5、狀態(tài)，敏感元件由彈簧連接并架在光滑支架上，支架與待測(cè)系統(tǒng)固定在一起，敏感元件下端的滑動(dòng)臂可在滑動(dòng)變阻器R上自由滑動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，敏感元件發(fā)生位移，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，已知：敏感元件的質(zhì)量為m，兩彈簧的勁度系數(shù)為k，電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)電阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的總電阻為R，有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，靜態(tài)時(shí)輸出電壓為U0。試求加速度a與輸出電壓U的關(guān)系式。,①滑動(dòng)觸頭左右移動(dòng)過(guò)程中，電路中電流如何變化？,②若車的加速度大小為a，則兩彈簧的形變量是多少

6、？,③求加速度a與輸出電壓U的關(guān)系式,不變化,ΔX左=ΔX右=ma/2k,對(duì)③式的討論,假設(shè)a向右為正，位置向左△x,理清思路很重要,解：,由分壓原理：,由牛頓第二定律：,由①②得：,例2. 慣性制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈工程中，這個(gè)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(zhǎng)度方向按裝的固定光滑桿上套一個(gè)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(lái)靜止，彈簧處于

7、自然長(zhǎng)度?；瑝K上有指針，可通過(guò)標(biāo)尺測(cè)出滑塊的位移，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo) 1.設(shè)某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運(yùn)動(dòng)，指針向左偏離O點(diǎn)的距離為S，則這段時(shí)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,D,2. 若電位器（可變電阻

8、）總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，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(dòng)時(shí)，與滑塊連接的滑動(dòng)片P產(chǎn)生位移，此時(shí)可輸出一個(gè)電信號(hào)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(dòng)狀態(tài)輸入信息，試寫(xiě)出U與a 的函數(shù)關(guān)系式。,Δx=ma/2k②,U=U0 Rx / R = U0 Δx / L①,U=mU0 a / 2kL③,U0,解：,由①②得：,由分壓原理：,由牛頓第二定律,（2）測(cè)物體角速度（角速度計(jì)）,可測(cè)量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)

9、動(dòng)角速度,其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)系統(tǒng)繞軸OO′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)，成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。,（3）測(cè) 力,例3：（風(fēng)力測(cè)定儀）如圖所示為一種測(cè)定風(fēng)作用力的儀器原理圖，圖中P為金屬球，懸掛在一細(xì)長(zhǎng)裸金屬絲下面，O是懸掛點(diǎn)，R0是保護(hù)電阻，CD是水平放置的光滑電阻絲，與懸掛小球的細(xì)金屬絲始終保持良好接觸，無(wú)風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲與電阻絲在C點(diǎn)接觸，此時(shí)電路中的電流為I，有風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲將偏轉(zhuǎn)一角度θ（θ與風(fēng)力大小有關(guān)），

10、細(xì)金屬絲與電阻絲在C/點(diǎn)接觸，已知風(fēng)力方向水平向左，OC=h，CD=L，球的質(zhì)量為M，電阻絲單位長(zhǎng)度的電阻為k，電源內(nèi)電阻和細(xì)金屬絲電阻均不計(jì)，金屬絲偏轉(zhuǎn)θ角時(shí)，電流表的示數(shù)為I/，此時(shí)風(fēng)力大小為F，試寫(xiě)出：,①風(fēng)力大小F與θ的關(guān)系式；,②風(fēng)力大小F與電流表示數(shù)I/ 的關(guān)系式。,③此裝置所測(cè)定的最大風(fēng)力是多少？,F=Mg·tanθ①,tanθ=L//h②,I/=E/[R0+k(L-L/）] ③,由①到④得：,兩種理解,E=I(

11、R0+kL) ④,思路？,（4）測(cè) 位 移,例4：（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(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿p，通過(guò)電壓表顯示的數(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，則下列說(shuō)法正確的是 ( )A. 物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化B. 物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化C. 物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒(méi)有電流D. 物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒(méi)有示數(shù),B,

12、2、熱電傳感器,熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會(huì)隨溫度的變化而變化的原理制成的，如各種家用電器（空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機(jī)、電飯煲等）的溫度控制、火警報(bào)警器、恒溫箱等。,例5：如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示意圖。其中R2 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，a、b之間接報(bào)警器。當(dāng)傳感器 R2 所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U 的變化情況是（ ）A.　I 變大，U 變大

13、 B.　I 變小，U 變小 C.　I 變小，U 變大 D.　I 變大，U 變小,火情時(shí)溫度升高，R2 減小， R總減小， I總增大， U內(nèi)增大，Uab減小， UR1增大，U并減小， IA減小,B,解：,方法：,①由外到內(nèi)再到外，先不變后變,②增阻，增壓，減流， 減阻，減壓，增流,例6．用遙控器調(diào)換電視機(jī)頻道的過(guò)程，實(shí)際上就是傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的過(guò)程。下列屬于這類傳

14、感器的是（ ）A．紅外報(bào)警裝置B．走廊照明燈的聲控開(kāi)關(guān)C．自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置D．電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器,A,３.光電傳感器,例7.如圖示，將一光敏電阻連入多用電表兩表筆上，將多用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于Ω檔，用光照射光敏電阻時(shí)表針的偏角為θ， 現(xiàn)用手掌擋住部分光線，表針的偏角變?yōu)棣?′，則可判斷 （ ）A. θ ′= θB. θ ′θD. 不能確定θ和 θ

15、 的關(guān)系′,B,4.聲電傳感器,例8：（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(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，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(shuō)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(guò)金屬線

16、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),B,5.電容式傳感器,電容器的電容C決定于極板的正對(duì)面積S、極板間距離d以及極板間的電介質(zhì)這幾個(gè)因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的變化能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，則通過(guò)測(cè)定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化，起這種作用的電容器稱為電容式傳感器。,圖甲是測(cè)量 的電容式傳感器，原理是

17、 。,角度θ,由于C∝S，動(dòng)片與定片間的角度θ發(fā)生變化時(shí)，引起S的變化，通過(guò)測(cè)出C的變化，測(cè)量動(dòng)片與定片間的夾角θ,圖乙是測(cè)量 的電容式傳感器，原理是

18、 。,液面高度h,由于C∝S，h發(fā)生變化，金屬芯線和導(dǎo)電液體組成的電容發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)定C的變化，可以測(cè)量液面高度h 的變化。,圖丙是測(cè)量 的電容式傳感器，原理是 。,壓力F,由于C

19、∝1/d，壓力F 作用在可動(dòng)電極上，引起極板間距d 的變化，通過(guò)測(cè)出C的變化，測(cè)量壓力F的變化。,圖丁是測(cè)量 的電容式傳感器，原理是

20、 。,位移x,由于C 隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)出C的變化，測(cè)量位移x的變化。,例9：隨著生活質(zhì)量的提高，自動(dòng)干手機(jī)已進(jìn)入家庭，洗手后，將濕手靠近自動(dòng)干手機(jī)，機(jī)內(nèi)的傳感器便驅(qū)動(dòng)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)?（

21、 ）A. 改變了濕度 B. 改變了溫度C. 改變了磁場(chǎng) D. 改變了電容,D,6.電感傳感器,電感式傳感器是利用線圈的自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量或控制的一種裝置，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用磁體的某些現(xiàn)象。,實(shí)例：磁性物質(zhì)探測(cè)報(bào)警器,練習(xí)1、 用如圖示的電磁繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)高溫報(bào)警器，要求是：正常情況綠燈亮，有險(xiǎn)情時(shí)電鈴報(bào)警?？晒┻x擇的器材如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學(xué)生用電源、繼電器、滑

22、動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線。,熱敏電阻正常時(shí)電阻值大，ab間電流小，電磁繼電器磁性弱，銜鐵與上觸點(diǎn)接觸，綠燈泡亮。,③將學(xué)生用電源與電鈴分別接入c、d、之間。,解：,①將熱敏電阻、小燈泡、學(xué)生用電源、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)串聯(lián)接入繼電器的a、b端，如圖示：,②將學(xué)生用電源與綠燈泡分別接入c、e之間。,受熱時(shí)電阻值小，ab間電流大，電磁繼電器磁性強(qiáng)，銜鐵與下觸點(diǎn)接觸，電鈴響。,變式：提高靈敏度，應(yīng)該如何調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器？,練習(xí)2、 用如圖示的電磁

23、繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)由光敏電阻來(lái)控制路燈的實(shí)驗(yàn)電路。要求是：光暗時(shí)燈亮，光亮?xí)r燈滅。可供選擇的器材如下：光敏電阻、小燈泡、學(xué)生用電源、繼電器、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線。,光敏電阻天暗時(shí)電阻值大，ab間電流小，電磁繼電器磁性弱，銜鐵與觸點(diǎn)接觸，燈泡亮。,天亮?xí)r電阻值小，ab間電流大，電磁繼電器磁性強(qiáng)，銜鐵與觸點(diǎn)分離，燈泡滅。,解：,變式：想讓天更暗時(shí)燈才亮，應(yīng)該如何調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器？,,練習(xí)3、 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

24、，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(dòng)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(dòng)的情況可能是怎樣的？,（1）,（2）,解：,mg+6-10=ma 得m=0.5kg①,2