实验 传感器的简单应用 新课标 人教版

实验传感器的简单应用一、实验目的1、了解传感器的工作原理2、能够进行简单的应用3、能处理涉及三种类型传感器（光电传感器、热电传感器、电容式传感器）问题二、实验原理传感器是把非电物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、声强、光照等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电阻、电容等）的一种组件.如图所示.其工作过程是通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定的规律转换成便于利用的信号.例如：（1）光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号。

它是利用光敏电阻的阻值会随光照强度的变化而变化的原理制成的；如果是光电管，它是利用在光照的条件下，电子能逸出物体表面的现象制成的.光电传感器在实际中有广泛的应用，例如：路灯的控制、光电计数器、烘手机、遥控器、烟雾报警器、磁带的自动控制都是利用光电传感器工作的。

（2）热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号。

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。

热电传感器在实际中有广泛的应用.例如：各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机）的温度控制、耳温机.电路中的无结点保护（当电源发生异常时切断电源，电源正常后又自动恢复），都是利用热电传感器工作的.（3）电容式传感器把角度、深度、压力、位移等信号转换成电容.三、总结本实验所用的器材.铁架台、温度计、烧杯、热敏电阻、光敏电阻、冷水、热水、多用电表、小灯泡、学生电源、导线、开关、电铃或报警器、光电计数器、滑动变阻器.四、实验过程1.研究热敏电阻的热敏特性.(1)按图所示连接好电路，多用电表选择开关置于“R×100档”.(2)将热敏电阻放入有少量冷水并插有温度计的烧杯中，记下温度计的示数和热敏电阻的阻值.(3)将热水分几次注入烧杯中，记下在不同温度下，热敏电阻的阻值.(4)实验结论：热敏电阻的阻值随着温度的升高而_______.（减小）2.研究光敏电阻的光敏特性（1）按下图所示连接好电路，多用电表选择开关置于“R×1 k”档.(2)先测出小灯泡不发光时光敏电阻的阻值.(3)打开电源，让小灯泡发光.调节滑动变阻器，使小灯泡的亮度由暗变亮，观察光敏电阻的阻值变化情况.(4)实验结论：光敏电阻在光照加强的条件下，其阻值逐渐_______.(减小）3.光电计数实验（1）将光电传感器、小灯泡、计数器、学生电源按下图所示电路连接好.(2)接通电源，使小灯泡发光，照射到光电传感器上.(3)拿一厚纸板插入光源与光电传感器之间，每插入一次，计数器就记下一次，即计数器开始计数.4.温度自动报警实验(1)按图所示将电铃、继电器、电源、开关、滑动变阻器、热敏电阻连成电路.(2)合上电键S，由于热敏电阻的阻值较大，左侧电路中电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁，电铃不响.把烧杯中加入热水，热敏电阻的阻值减小，左侧电路中电流较强，电磁铁磁性增强，吸引衔铁，电铃电路接通，电铃发声.5、电容器在传感技术中的应用电容器，在无线电中的应用是人们所熟知的.此外，人们还利用电容器的电容随参数变化而改变的特性，将电容器作为敏感元件，制成电容式传感器，用于生产和生活中许多非电变化量的自动检测，这也是电容器众多应用领域中的一个重要方面.电容式传感器的测量过程是信息的被采集与转换过程.通过敏感元件和配用电路的操作，可以将被测量转换成易于处理和显示的电信号，从引起电容变化的参量来划分，电容式传感器有三种基本类型：（1）变间隙式；（2）变面积式；（3）变介电常数式.五、例题分析例1．某学生为测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力(比例系数为k)，如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U．现有下列器材：力电转换器、质量为m的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个，电键及导线若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)．请完成对该物体质量的测量．(1)设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出未完成的测量电路图．(2)简要说明测量步骤，求出比例系数K，并测出待测物体的质量m．(3)请设想实验中可能会出现的一个问题．答案：（1）对力电传感器的输入电压的连接、输出电压的测量电路如图所示，滑线变阻器采用分压型接法，以满足电压的调节范围尽可能大的题设要求。

（2）步骤如下：①．按所设计的测量电路将有关仪器正确地接入电路；②．闭合电键S 后，移动滑线变阻器的滑动头，调节输入端的电压，使力电转换器空载时的输出电压为0；③．将质量为0m 的砝码放置于力电转换器的受压面，稳定后读出此时力电转器的输出电压0U ，因为力电转换器的输出电压与受压面所受压力的大小成正比，所以有0U =k 0m g ，∴比例系数 k= U 0 /m o g④．将待测物体放置于力电转换器的受压力面，稳定后读出此时力电转换器的输出电压U∵U = k m g ∴ mg = g m U U 00；故只要读出此时力电转换器的输出电压U ，就可以计算出待测物体的质量或重力，也可以对其它形式的力进行测量。

（3）①因电源电压不够而输出电压调不到零。

②待测物体的质量超出转换器量程。

例2、如图，甲为在10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R 1=2k Ω，R 2 = 1.5k Ω，R 3 = 4k Ω，R t 为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，当a 、b 端电压U ab ＜0，电压鉴别器会令开关S 接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当U ab ＞0时，电压鉴别器使S 断开，停止加热．则恒温箱内的温度大约恒定在 ℃．解析：从题目给出的条件可知：当a 、b 之间的电压U ab = 0即为电热丝在工作与不工作的临界状态，此时a 、b 电势相等．电压鉴别器中无电流通过。

则R 1与R 3的电压必相等，R 2与R t 两端电压势必相等，因此就有：I 1 = I 2 ， I 3 = I 4；I 1R 1 =I 3R 3， I 2R 2 =I 4R t;；∴ tR R R R 321=，由此可算得R t ＝3kΩ．从热敏电阻的R －t 图像可知R t ＝3kΩ时，温度为25℃．思路点拨：本题的关键是从条件推出a 、b 两点的临界电压为零，并导出纯电阻电桥的平衡条件。

由此算出临界状态下热敏电阻的阻值，再通过查R －t 图像的方法推得温度值．例3、如图所示的装置可以测量飞行器在竖直方向上做匀加速直线运动的加速度。

该装置是在矩形箱子的上、下壁各安装一个可以测力的传感器，分别连接两根劲度系数相同（可拉伸可压缩）的轻弹簧的一端，弹簧的另一端都固定在一个滑块上，滑块套在光滑竖直杆上。

现将该装置固定在一个飞行器上，传感器P 在上，传感器Q 在下。

飞行器在地面静止时，传感器P 、Q 显示的弹力大小均为10N 。

求：⑴滑块的质量。

（地面处的 g =10m/s 2）⑵当飞行器竖直向上飞到离地面R /4高处，此处的重力加速度为多大？（R 是地球的半径）⑶若在此高度处传感器P 显示的弹力大小为F 1′=20N ，此时飞行器的加速度是多大？解：⑴ 设P 、Q 显示的弹力大小分别为F 1、F 2，根据滑块平衡条件可知，F 1应为拉力，方向应向上，F 2应变支持力，方向向上。

所以滑块质量 m g = F 1 + F 2 = 20 ∴ m = 2 kg .⑵ 由 mg = 2r Mm G得： g = G 2r M ∝21r , ∴ g = (h R R +)2 g o = (54)2 ×10 m/s 2 = 1.6 m/s 2⑶ 弹簧总长度不变，当P 传感器显示的弹力变为F ′=20N ，即增加10N ，亦即上面弹簧的伸长量变为飞行器在地面静止时的两倍，而下面的弹簧的压缩量也变为原来的两倍，即 F 2′=20N 。

对滑块应用牛顿第二定律： F 1′+F 2′— mg = m a ∴ a = 18. 4 m/s 2例4、 在科技活动中，某同学利用自制的电子秤来称量物体的质量.图所示为电子秤的原理图，托盘和弹簧的电阻与质量均不计，滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，电压表示数为零.设变阻器的总电阻为R ，总长度为l ，电源电动势为E ，内阻为r ，限流电阻的阻值为R 0，弹簧劲度系数为k ，不计一切摩擦和其他阻力，电压表为理想表，当托盘上放上某物体时，电压表的示数为U ，求此时称量物体的质量。

解：电子称的原理图有甲、乙两种。

因为不计托盘和弹簧的质量，所以当托盘中没有放物体时，电压表示数为零，此时滑动变阻器的滑动头正好在最上端。

kx = mg回路电流强度 r R R E I ++=01 设弹簧奢缩量 x 对应部分的电阻R 1 =R L x 电压表的读数 ： U = I R 1由以上几式运算得到：U=)(0r R R kL mgRE ++ ∴ m = gRE r R R KL )(01++ 六、强化训练题（6—12） 《传感器的应用及强化训练题》1、传感器是一种采集信息的重要器件，图示的是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路。

当待测压力F 作用于可动膜片电极上时，以下说法中正确的是（）①若F向上压膜片电极，电路中有从a到b的电流；②若F向上压膜片电极，电路中有从b到a的电流；③若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流；④若电流表有示数，则说明压力F发生变化；⑤若电流表有示数，则说前压力F不发生变化A、②④；B、①④；C、③⑤；D、①⑤2、传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用，如图所示是一种测量液面高度的电容式传感器的示意图，金属芯线与导电液体之间形成一个电容器。

从电容大小的变化就能反映液面的升降情况。

当测得电容值增大，可以确定h将（）A、增大；B、减小；C、不变； D无法确定。

解释：导电液体相当于电容器的另一个极板，由公式C = εS/ d可知：电容增大时，在介质及其厚度均不变时，必然是正对面积增大，所以液面应上升。

3、某仪器内部的电路如图所示，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作的弹簧相连，并套在光滑水平细杆上，当金属块处于平衡时两根弹簧均处于原长状态，此时两灯都不亮。

若将仪器固定在一辆汽车上，则下列说法中正确的是：（）（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，甲灯亮；（D）当汽车刹车时，乙灯亮。

4、如图所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度，该装置是在矩形箱子的前、后壁上安装一个由力敏电阻组成的压力传感器，用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块，滑块可以无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a 、b 上，其压力大小可直接从传感器原液晶显示屏上读出。