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1、传感器的简单应用第1页，共21页，编辑于2022年，星期四【实验实验目的目的】1.1.体会传感器在实际生活中的应用体会传感器在实际生活中的应用.2.2.了解斯密特触发器的工作特点了解斯密特触发器的工作特点,能够分析光控电路能够分析光控电路和温控电路的工作原理和温控电路的工作原理.【实验实验原理原理】1.原理原理:通过对某一物理量敏感的元件通过对某一物理量敏感的元件,将感受到的物理量按一将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量定规律转换成便于测量的量.例如例如,光电传感器利用光敏电阻光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号将光信号转换成电信号;热电传感器利用热敏电阻将温度信号热电传感器利用
2、热敏电阻将温度信号转换成电信号转换成电信号.3.3.传感器的元件传感器的元件:制作传感器时经常使用的元件有光敏电制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等.第2页，共21页，编辑于2022年，星期四(1)(1)光敏电阻光敏电阻:光敏电阻能把光照强弱这个光学量转换为电光敏电阻能把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量阻这个电学量.特性特性:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化光敏电阻在被光照射时电阻发生变化.光照增强光照增强,电阻变电阻变小小;光照减弱光照减弱,电阻增大电阻增大.工作原理工作原理:光敏电阻是用半导体材料制成的光敏电阻是用
3、半导体材料制成的,硫化镉在无光硫化镉在无光时时,载流子载流子(导电电荷导电电荷)极少极少,导电性能不好导电性能不好;随着光照的增强随着光照的增强,载流子也增多载流子也增多,导电性能变好导电性能变好.(2)(2)热敏电阻和金属热电阻热敏电阻和金属热电阻:热敏电热敏电 阻或金属热电阻能把温度这个热学阻或金属热电阻能把温度这个热学 量转换为电阻这个电学量量转换为电阻这个电学量.特性特性:金属的电阻率随温度的升高而增大金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属用金属 丝可以制作温度传感器丝可以制作温度传感器,称为热电阻称为热电阻.有些半导体有些半导体,电电 阻率随温度的变化非常明显阻率随温度的变化非常明显
4、;温度上升时温度上升时,有些半导体有些半导体的导电能力增强的导电能力增强.图图1 1第3页，共21页，编辑于2022年，星期四电阻电阻温度特性曲线温度特性曲线(如图如图1 1所示所示)a a金属导线金属导线;b;b热敏电阻热敏电阻.3.3.霍尔元件霍尔元件:霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量压这个电学量.特性特性:霍尔电压霍尔电压U UH H=,=,式中式中d d为薄片的厚度为薄片的厚度,k为霍尔系为霍尔系数数,它的大小与薄片的材料有关它的大小与薄片的材料有关.一个霍尔元件的一个霍尔元件的d d、k为为定值定值,再保持再保持I I恒
5、定恒定,则则U UH H的变化就与的变化就与B B成正比成正比(如图如图2 2所示所示).).图图2 2第4页，共21页，编辑于2022年，星期四【实验器材实验器材】斯密特触发器、光敏电阻、发光二极管斯密特触发器、光敏电阻、发光二极管(LEDLED)、可变电、可变电阻、定值电阻、热敏电阻、蜂鸣器、集成电路实验板阻、定值电阻、热敏电阻、蜂鸣器、集成电路实验板.【注意事项注意事项】由于集成电路允许通过的电流较小由于集成电路允许通过的电流较小,要用白炽灯泡模仿路要用白炽灯泡模仿路灯灯,就要使用继电器来启闭工作电路就要使用继电器来启闭工作电路.第5页，共21页，编辑于2022年，星期四第6页，共21页
6、，编辑于2022年，星期四第7页，共21页，编辑于2022年，星期四 典例剖析典例剖析【例例1】如图如图5甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图,其中上板为固定极板其中上板为固定极板,下板为待测物体下板为待测物体,在两极板间电压在两极板间电压恒定的条件下恒定的条件下,极板上所带电荷量极板上所带电荷量Q Q将随待测物体的上下运将随待测物体的上下运动而变化动而变化.若若Q Q随时间随时间t t的变化关系为的变化关系为Q Q=（a a、b b为大于为大于零的常数）零的常数）,其图象如图乙所示其图象如图乙所示,那么图丙、图丁中反映极板那么图丙、图丁中反映极板间场强
7、大小间场强大小E E和物体速率和物体速率v随随t t变化的图线可能是变化的图线可能是（）第8页，共21页，编辑于2022年，星期四图图3 3第9页，共21页，编辑于2022年，星期四变式练习变式练习1 如图如图4 4所示是电饭锅的结构所示是电饭锅的结构,试回答下列问题试回答下列问题:(1)(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？钮是否会恢复到图示的状态？为什么？(2)(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么为什么?图图4 4第10页，共21页，编
8、辑于2022年，星期四(3)(3)饭熟后饭熟后,水分被大米吸收水分被大米吸收.锅底的温度会有什么变化锅底的温度会有什么变化?这时电饭这时电饭锅会自动地发生哪些动作锅会自动地发生哪些动作?(4)(4)如果用电饭锅烧水如果用电饭锅烧水,能否在水沸腾后自动断电能否在水沸腾后自动断电?为什么为什么?答案答案 (1)(1)开始煮饭时压下手动开关开始煮饭时压下手动开关,使永磁体和感温磁体吸使永磁体和感温磁体吸合合,以保持触点接触以保持触点接触,接通电热电路接通电热电路;手松开后这个按钮不会手松开后这个按钮不会恢复到图示状态恢复到图示状态,因为永磁体与感温磁体相互吸引因为永磁体与感温磁体相互吸引,弹簧的弹簧
9、的弹力不能使永磁体恢复原状态弹力不能使永磁体恢复原状态.(2)(2)水沸腾后水沸腾后,锅内的温度应大致保持在锅内的温度应大致保持在100,100,因为水的沸点是因为水的沸点是100,100,此时水分未被米吸收完此时水分未被米吸收完,锅内水分较充足锅内水分较充足,所以能保持一段所以能保持一段时间时间.第11页，共21页，编辑于2022年，星期四(3)(3)饭熟后饭熟后,水分被大米吸收水分被大米吸收,锅底温度会由锅底温度会由100100升到升到103,103,达到达到居里点居里点,此时开关按钮会自动弹起此时开关按钮会自动弹起,断开加热电路断开加热电路,进入保温状态进入保温状态.因为锅底温度达到因为
10、锅底温度达到103103时时,感温磁体失去磁性感温磁体失去磁性,永磁体再不能与永磁体再不能与它吸合它吸合,在弹簧的作用下在弹簧的作用下,开关按钮恢复初始状态开关按钮恢复初始状态.(4)(4)如果用电饭锅烧水如果用电饭锅烧水,水沸腾后不能自动断电水沸腾后不能自动断电,因为水沸腾的温因为水沸腾的温度是度是100,100,而不能达到而不能达到103(103(居里点居里点),),水将一直沸腾直到烧干水将一直沸腾直到烧干.第12页，共21页，编辑于2022年，星期四【例例2】如图如图5 5所示所示,图甲为热敏电阻的图甲为热敏电阻的R Rt t图象图象,图乙为用图乙为用此热敏电阻此热敏电阻R R和继电器组
11、成的一个简单恒温箱温控电路和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器的电阻为继电器的电阻为100100.当线圈的电流大于或等于当线圈的电流大于或等于2020 mA时时,继电器的衔铁被吸合继电器的衔铁被吸合.为继电器线圈供电的电池的电动势为继电器线圈供电的电池的电动势E E=9.09.0 V,内阻可以不计内阻可以不计.图中的图中的“电源电源”是恒温箱加热器的电源是恒温箱加热器的电源.问问:图图5 5第13页，共21页，编辑于2022年，星期四(1)(1)应该把恒温箱内的加热器接在应该把恒温箱内的加热器接在 (填填“A A、B B”端端或或“C C、D D”端端).).(2)(2)如果要使恒温箱
12、内的温度保持如果要使恒温箱内的温度保持50,50,可变电阻可变电阻R R的阻值的阻值应调节为应调节为 .第14页，共21页，编辑于2022年，星期四变式练习变式练习2 传感器担负着信息的采集任务传感器担负着信息的采集任务,在自动控制中发在自动控制中发挥着重要作用挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等如温度、光、声等)转换成便于测量的量转换成便于测量的量(通常是电学量通常是电学量),),例如例如热敏传感器热敏传感器,主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻.热敏电阻热敏电阻阻值随温度变化的图线如图阻值随温度变化的图线如
13、图6 6甲所示甲所示,图乙是由热敏电阻图乙是由热敏电阻R Rt t作为传作为传感器制作的简单自动报警器的线路图感器制作的简单自动报警器的线路图.问问:图图6 6第15页，共21页，编辑于2022年，星期四(1)(1)为了使温度过高时报警器铃响为了使温度过高时报警器铃响,c c应接在应接在 (填填a a或或b b).).(2)(2)若使启动报警的温度提高些若使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器滑片应将滑动变阻器滑片P P点点向向 移动移动(填左或右填左或右).).(3)(3)如果在调试报警器达最低报警温度时如果在调试报警器达最低报警温度时,无论如何调节滑动变无论如何调节滑动变阻器滑片阻器滑片P
14、 P都不能使报警器工作都不能使报警器工作,且电路连接完好且电路连接完好,各电路元件都各电路元件都能处于工作状态能处于工作状态,则造成工作电路实际不能工作的原因可能是则造成工作电路实际不能工作的原因可能是 .答案答案 (1)(1)a a (2)(2)左左 (3)(3)可能是乙图中左边电源电压太低可能是乙图中左边电源电压太低或者线圈的匝数太少或者弹簧的劲度系数太大等或者线圈的匝数太少或者弹簧的劲度系数太大等第16页，共21页，编辑于2022年，星期四【例例3】如图如图7所示为某种电子秤的原理示意图所示为某种电子秤的原理示意图,ABAB为一均为一均匀的滑动变阻器匀的滑动变阻器,阻值为阻值为R R,长
15、度为长度为L L,两边分别有两边分别有P P1、P P2两个滑动头两个滑动头,P P1可在竖直绝缘光滑的固定杆可在竖直绝缘光滑的固定杆MNMN上保持水平状上保持水平状态而上下自由滑动态而上下自由滑动,弹簧处于原长时弹簧处于原长时,P P1刚好指着刚好指着A A端端,P P1与与托盘固定相连托盘固定相连,若若P P1、P P2间出现电压时间出现电压时,该电压经过放大该电压经过放大,通过信号转换器后在显示屏上可显示物体重力的大小通过信号转换器后在显示屏上可显示物体重力的大小.已知弹簧的劲度系数为已知弹簧的劲度系数为k,托盘自身质量为托盘自身质量为m m0,电源电动势电源电动势为为E E,内阻不计内
16、阻不计,当地的重力加速度为当地的重力加速度为g g.求：求：第17页，共21页，编辑于2022年，星期四图图7 7(1)(1)托盘尚未放物体时托盘尚未放物体时,在托盘自身重力作用下在托盘自身重力作用下,P P1 1离离A A的距离的距离x x1 1.(2)(2)托盘上放有质量为托盘上放有质量为m m的物体时的物体时,P P1 1离离A A的距离的距离x x2 2.第18页，共21页，编辑于2022年，星期四(3)(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点在托盘上未放物体时通常先校准零点,其方法是：调节其方法是：调节P P2 2,使使P P2 2离离A A的距离也为的距离也为x x1 1,从而使从而
17、使P P1 1、P P2 2间的电压为零间的电压为零.校准零校准零点后点后,将物体将物体m m放在托盘上放在托盘上,试推导出物体质量试推导出物体质量m m与与P P1 1、P P2 2间的电间的电压压U U之间的函数关系式之间的函数关系式.第19页，共21页，编辑于2022年，星期四(3)当托当托盘盘上放有上放有质质量量为为m m的物体的物体时时,P P1离离P P2的距离的距离为为x x2-x x1=滑滑动变动变阻器与阻器与电电源源组组成的成的电电路中路中电电流恒定流恒定,电电源内阻不源内阻不计计,由由闭闭合合电电路欧姆定律可知路欧姆定律可知I I=P P1、P P2间电压间电压U U=IRIR12=(x x2-x x1)=可解得可解得m m=答案答案 (1)(2)(3)(1)(2)(3)m m=第20页，共21页，编辑于2022年，星期四6.6.一热敏电阻阻值随温度变化的图象如图一热敏电阻阻值随温度变化的图象如图1111甲所示甲所示,请应用这一请应用这一热敏电阻自行设计一控制电路热敏电阻自行设计一控制电路,当温度高于某一值后红色指示当温度高于某一值后红色指示灯亮灯亮,而温度低于这一值时绿色指示灯亮而温度低于这一值时绿色指示灯亮,并且说明滑动变阻并且说明滑动变阻器的作用器的作用.图图1111第21页，共21页，编辑于2022年，星期四