传感器的简单应用

一、传感器的含义二、传感器的分类 1. 力电传感器 （1）测物体的质量（2）测物体加速度 （3）测物体角速度 例1. （4）测 力 （5）测 位 移 03 年上海理综 10. 2. 热电传感器 3. 光电传感器 03 年天津理综、 05年盐城二模9. 4. 声电传感器 5. 电容式传感器 例2 6. 电感传感器 实例 : 例3 例4 练习 1 03年上海高考18 例5 练习 2 03年上海理综12 例6 例 7 2005 年上海卷 23

传感器的简单应用

传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：

一、传感器的含义

非电物理量 转换器件敏感元件 转换电路

电学量二、传感器的分类1. 力电传感器

力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及 ABS 防抱死制动系统等。

（ 1 ）测物体的质量

EPA

SB

R0

A

PA

S

B

R0

V E

PA

S

B

R0

V

E

（ 2 ）测物体加速度 例题：加速度计是测定物体加速度的仪器，它已成为导弹、飞机、潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。如图为应变式加速度计示意图，当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器 R 上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出，已知：敏感元件的质量为 m ，两弹簧的劲度系数为 k ，电源的电动势为 E ，内电阻不计，滑动变阻器的总电阻为 R ，有效长度为 L ，静态时输出电压为 U0 。试求加速度 a 与输出电压 U 的关系式。

敏感元件

输出信号

E

R

① 滑动触头左右移动过程中，电路中电流如何变化？② 若车的加速度大小为 a ，则两弹簧的形变量是多少？③ 求加速度 a 与输出电压 U 的关系式

角速度计（ 3 ）测物体角速度

可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度, 其结构如图所示。当系统绕轴 OO′ 转动时，元件 A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。已知 A 的质量为 m ，弹簧的劲度系数为 k 、自然长度为 l ，电源的电动势为 E 、内阻不计。滑动变阻器总长也为 l ，电阻分布均匀，系统静止时 P 在 B 点，当系统以角速度 ω 转动时，试写出输出电压 U 与 ω 的函数式。

A

S

PCB

ωO

O′输出电压 U

解：设弹簧伸长 x , 则 kx=mω2(l+x)

∴ x=mω2l ／ ( k-mω2)设滑动变阻器单位长度 的电阻为 r1

U=IRx=Exr1 ／ l r1= Ex/ l

∴ U= Emω2 ／ (k-mω2)

例 1. 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。 1. 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 （ ） A. 方向向左，大小为 k S/m B ．方向向右，大小为 k S/m C ．方向向左，大小为 2k S/m D. 方向向右，大小为 2k S/m

D010 10

UP

2. 若电位器（可变电阻）总长度为 L ，其电阻均匀，两端接在稳压电源 U0 上，当导弹以加速度 a 沿水平方向运动时，与滑块连接的滑动片 P 产生位移，此时可输出一个电信号 U ，作为导弹惯性制导系统的信息源，为控制导弹运动状态输入信息，试写出 U 与 a 的函数关系式。

010 10

UP

U0

解： a=2kS/m

∴ S=ma/2k

U=U0 Rx / R = U0 S / L

=maU0 / 2kL

=mU0 a / 2kL∝a

（ 4 ）测 力 例题：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力

的仪器原理图，图中 P 为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面， O 是悬挂点， R0 是保护电阻， CD 是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在 C 点接触，此时电路中的电流为 I ，有风时细金属丝将偏转一角度 θ （ θ 与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在 C' 点接触，已知风力方向水平向左， OC=h ， CD=L ，球的质量为 M ，电阻丝单位长度的电阻为 k ，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转 θ 角时，电流表的示数为 I/ ，此时风力大小为 F，试写出： R0 O

P

DC'

θ

C

A

电源

①风力大小 F 与 θ 的关系式；②风力大小 F 与电流表示数 I 的关系式。 ③此装置所测定的最大风力是多少？

（ 5 ）测 位 移 五、传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用。如计算机鼠标中有位移传感器，电熨斗、电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器……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 ( )

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

B

03 年上海理综 10.

2 。热电传感器 热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的 ,如各种家用电器 ( 空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等 )的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 例题：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器， a 、 b之间接报警器。当传感器 R2 所在处出现火情时，显示器的电流 I 、报警器两端的电压 U 的变化情况是（ ）A.　 I 变大， U 变大 B.　 I 变小， U 变小 C.　 I 变小， U 变大 D.　 I 变大， U 变小

R1

R2R3

Aa

b

Er

解：出现火情时温度升高，R2 减小， R 总减小， I 总增大，Uab减小， U 并减小， IA减小，

B

３ . 光电传感器 光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。 例题：（新教材 2003 天津理综）如图，当电键 K断开时，用光子能量为 2.5eV的一束光照射阴极 P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于 0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于 0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为 ( ) A. 1.9eV B. 0.6eV C . 2.5eV D. 3.1eV

P

K

V

A解：反向截止电压为 0.60V ， EKm= 0.60 eV W=hν- EKm= 2.5-0.6=1.9 eV

A

05 年盐城二模 9.如图示为光敏电阻自动计数器的示意图 , 其中 R1 为光敏电阻 ,R2 为定值电阻 ,此光电计数器的基本工作原理是 ( )

A. 当有光照射 R1 时 , 信号处理系统获得较高电压B. 当有光照射 R1 时 , 信号处理系统获得较低电压C. 信号处理系统每获得一次较低电压就记数一次D. 信号处理系统每获得一次较高电压就记数一次

R1 R2

信号处理系统

B D

4. 声电传感器

例题：（ 2003 上海理综 11 ）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 ( )

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

B

5. 电容式传感器 电容器的电容 C决定于极板的正对面积 S 、极板间距离 d 以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器。

图甲是测量 的电容式传感器，原理是 。

定片

θ

甲

角度 θ

由于 C S∝ ，动片与定片间的角度 θ 发生变化时，引起 S 的变化，通过测出C 的变化，测量动片与定片间的夹角 θ

图乙是测量 的电容式传感器，原理是 。

金属芯线

电介质

导电液体

乙

h

液面高度 h

由于 C S∝ ， h 发生变化，金属芯线和导电液体组成的电容发生变化，通过测定 C 的变化，可以测量液面高度h 的变化。

图丙是测量 的电容式传感器，原理是 ,

。 固定电极

可动电极F

丙

压力 F

由于 C 1/d∝ ，压力 F 作用在可动电极上，引起极板间距 d 的变化，通过测出 C 的变化，测量压力 F 的变化。

图丁是测量 的电容式传感器，原理是 ,

。

极板

电介质

丁 x

位移 x

由于 C 随着电介质进入极板间的长度发生变化，通过测出 C 的变化，测量位移 x 的变化。

例 2 、随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，是因为 （ ）

A. 改变了湿度 B. 改变了温度

C. 改变了磁场 D. 改变了电容

D

6. 电感传感器 电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。

实例：磁性物质探测报警器

录音机

N

S

例 3 、 为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的 ( 测量仪未画出 ) 。当列车经过线圈上方时 ,线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。假设磁体端部磁感强度为 B=0.004T,且全部集中在端面范围内，与端面垂直，磁体宽度与线圈宽度相同，且都很小，线圈匝数 n=5 ，长 L=0.2m, 电阻 0.4Ω(包括引线电阻 ) ，测试记录下来的电流—位移如图所示。试求：

⑴在离 O( 原点 )30m,130m 处列车的速度 v1 和 v2 的大小

⑵假设列车是匀变速运动，求列车加速度的大小

i /A

10050 150

0.15

0.10

0 .05

-0 .05

-0.10

-0.15

S/m0

SO

B

解： I=E/R=nBLv/Rv=IR/nBL= 0.4I ／ 5×0.004×0.2= 100×I

在 30m 处， I1 =0.12A ∴v1=12m/s

在 130m 处， I2 =0.15A ∴v2=15 m/s ∴ a = （ v2

2 - v12 ） / 2

S = 0.405 m/s2

例 4 、 用如图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。

a edcb

解：热敏电阻受到光照射时电阻变小 ，将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的 a 、 b 端，如图示：将学生用电源与电铃分别接入 c 、 d 、 e之间。 正常时热敏电阻值大，ab 间电流小，磁性弱， ce 处于闭合，绿灯亮。 有险情时，光敏电阻值小 , ab 间电流大 ,磁性强 ,吸住衔铁 ,cd闭合 ,ce断开 ,绿灯灭 , 电铃响。

练习 1 、 用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控制路灯的实验电路。要求是：光暗时灯亮，光亮时灯灭。可供选择的器材如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。

ec

a

b

解：光敏电阻受到光照射时电阻变小 ，将光敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的 a 、 b 端，如图示：将交流电源与路灯接入 c 、 e之间。

220V 光暗时光敏电阻值大，ab 间电流小，磁性弱， ce 处于闭合，灯亮。 光亮时，光敏电阻值小， ab 间电流大，磁性强，吸住衔铁，电路 ce处断开，灯灭。

03 年上海高考 18 、 （ 7 分）图 1 为某一热敏电阻 R( 电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感 ) 的 I-U 关系曲线图。 ⑴为了通过测量得到图 1 所示 I-U 关系的完整曲线，在图 2 和图3 两个电路中应选择的是图 ；简要说明理由： 。（电源电动势为 9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为 0-100Ω ）⑵在图 4 电路中，电源电压恒为 9V ，电流表读数为 70mA ，定值电阻 R1=250Ω 。由热敏电阻的 I-U 关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为 ________V；电阻 R2 的阻值为 Ω

。⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子： _____________ 。

V

A

图 2

V

A

图 3

I/mA

U/V1 2 3 4 5 6 7

50

0图 1

10

2030

40 A

R1

R2

热敏电

阻

图 4

R9V

2电压可从 0V调到所需电压，调节范围较大

解 : I⑵ 1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA 由图 1得 UR=5.2V

5.2

R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 Ω

111.6—112.0

热敏温度计

例 5 、 如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于 Ω档，用光照射光敏电阻时表针的偏角为 θ ， 现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为 θ' ，则可判断 ( )

A. θ'= θ

B. θ' < θ

C. θ' >θ

D. 不能确定 θ 和 θ' 的关系

θ

B

练习 2 、某仪器内部电路如图所示，其中 M 是一个质量较大的金属块，左右两端分别与金属丝制成的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上， a 、 b 、 c 三块金属片的间隙很小，（ b 固定在金属块上）。当金属块处于平衡时，两根弹簧均处于原长状态，若将该仪器固定在一辆汽车上，则下列说法正确的是 （ ）A. 当汽车加速前进时，甲灯亮B. 当汽车加速前进时，乙灯亮C. 当汽车刹车时，乙灯亮D. 当汽车刹车时，甲、乙灯均不亮

车的前进方向

车的后部 a c

b乙灯

甲灯

M

B

12 ．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于这类传感器的是 （ ）

A ．红外报警装置

B ．走廊照明灯的声控开关

C ．自动洗衣机中的压力传感装置

D ．电饭煲中控制加热和保温的温控器

03 年上海理综 12 、

A

例 6 、将金属块 m 用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示，在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。当箱以 a=2.0 m/s2 的加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的传感器显示的压力为 6.0N ，下底板的传感器显示的压力为 10.0N 。 (取 g=10 m/s2)

(1) 若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半， 试判断箱的运动情况。(2) 要使上顶板传感器的示数为零 ,箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？

m

原来 （ 1 ） （ 2 ）解：

m

向上做匀减速运动 a 向下 a=2m/s2

F=10N

F1 =6Nmg

a

mg+F1-F=ma

m=0.5kg

上顶板示数是下底板示数的 1/2

弹簧长度不变 F=10N F2=5N

F

mg F2

a2

mg+F2-F=ma2

a2=0

静止或匀速运动

上顶板示数为零，则弹簧变短，F≥10N F3=0

F

mg

a3

F – mg = ma3

a3 ≥ 10m/s2

向上加速或向下减速，加速度 a≥ 10m/s2 。

例 7 、将一个力电传感器接到计算机上，就可以测量快速变化的力，用这种方法测得的某单摆摆动时悬线上拉力 F 的大小随时间 t 变化的曲线如图示，某同学根据此图提供的信息做出了以下判断，其中正确的是 ( ) A. 摆球摆动的周期 T=1.4s B. t=0.2s 时，摆球正经过最低点 C. t=1.1s 时，摆球正经过最低点 D. 摆球在摆动过程中机械能减小

      F/N

t/s

0.80.4 1.20

2.0

2.42.01.61.41.51.61.71.81.9

2.1

B D

23 ． (14 分 ) 一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一条宽度为 2mm 的均匀狭缝 .将激光器与传感器上下对准 ,使二者间连线与转轴平行 , 分别置于圆盘的上下两侧 ,且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束．在圆盘转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时 , 传感器接收到一个激光信号 , 并将其输入计算机 ,经处理后画出相应图线 . 图 (a) 为该装置示意图，图 (b) 为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐标表示时间，纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中 Δt1=1.0×10-3s ， Δt2=0.8×10-3s ．(1) 利用图 (b) 中的数据求 1s 时圆盘转动的角速度；(2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向；(3) 求图 (b) 中第三个激光信号的宽度 Δt3 ．

2005 年上海卷 23.

Δt1

0

I

t(s)

Δt2 Δt3

0.2 1.0 1.8图 (b)

传感器

激光器

图 (a)

解： (1) 由图线读得，转盘的转动周期 T＝ 0.8s 　　①

②sradT

/85.78.0

28.62角速度

(2) 激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动

理由为：由于脉冲宽度在逐渐变窄，表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少，即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加，因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动．

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r3－ r2＝ r2－ r1＝ vT ④

由④、⑤、⑥式解得：

③Tr

dt

ii 2

⑤)11

(2 12

12 tt

dTrr

⑥)11

(2 23

23 tt

dTrr

stt

ttt 3

33

33

21

213 1067.0

108.0100.12

108.0100.1

2

(3)设狭缝宽度为 d，探测器接收到第 i个脉冲时距转轴的距离为 ri，第 i个脉冲的宽度为△ ti，激光器和探测器沿半径的运动速度为 v．

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