(精品)实验十一传感器的简单应用.ppt
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1、实验十一实验十一 传感器的简单应用传感器的简单应用要点归纳要点归纳【实验目的实验目的】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,能够分析光控电能够分析光控电路和温控电路的工作原理路和温控电路的工作原理.【实验原理实验原理】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,将感受到的物将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量理量按一定规律转换成便于测量的量.例如例如,光电传光电传感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号感器利用光敏电阻将光信号转换成电信号;热电传感热电传感器利用热敏电阻将温度信
2、号转换成电信号器利用热敏电阻将温度信号转换成电信号.2.传感器的分类传感器的分类:目前对传感器尚无一个统一的分类方目前对传感器尚无一个统一的分类方法法,常用的分类方法有两个常用的分类方法有两个:(1)(1)按输入量分类按输入量分类,如输入量分别为温度、压力、位如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时移、速度、加速度等非电学量时,相应的传感器称为相应的传感器称为 温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器器、加速度传感器.(2)(2)按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理分类,可分为电阻传感器、可分为电阻传感器、电容
3、传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感电容传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等器、光电传感器、光栅传感器等.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、霍尔元件等电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等.(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电阻这个电学量.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.光照增光照增强强,电阻变小电阻变小;光照减弱光照减弱,电阻增大电阻增大.工
4、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半导体材料制成的,硫化镉硫化镉在无光时在无光时,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;随随着光照的增强着光照的增强,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
5、,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;温度上升时温度上升时,有些半导有些半导体的导电能力增强体的导电能力增强.图图1 1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换为电压这个电学量.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 k为为霍尔系数霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关它的大小与薄片的材料有关.一个霍尔元一个霍尔元件的件的d d、k k为定值为定值
6、,再保持再保持I I恒定恒定,则则U UH H的变化就与的变化就与B B成成正比正比(如图如图2 2所示所示).).图图2 2工作原理工作原理:外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力,在在导体板的一侧聚集导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷一种电荷,从而形成横向电场从而形成横向电场;横向电场对电子施加与横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力洛伦兹力方向相反的静电力.当静电力与洛伦兹力达到当静电力与洛伦兹力达到平衡时平衡时,导体板左右两侧会形成稳定的电压导体板左右两侧会形成稳定的电压.【实验器材实验器材】斯密特
7、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、可变电阻、定值电阻、热敏电阻、蜂鸣器、集成电变电阻、定值电阻、热敏电阻、蜂鸣器、集成电路实验板路实验板.【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,要用白炽灯泡要用白炽灯泡模仿路灯模仿路灯,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.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甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图理图,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,在两极在两极板间电压恒定的条件下板间电压恒定的条
8、件下,极板上所带电荷量极板上所带电荷量Q Q将随待将随待测物体的上下运动而变化测物体的上下运动而变化.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为大于零的常数)为大于零的常数),其图象如图乙所其图象如图乙所示示,那么图丙、图丁中反映极板间场强大小那么图丙、图丁中反映极板间场强大小E E和物体和物体速率速率v v随随t t变化的图线可能是变化的图线可能是()图图3 3A.A.和和B.B.和和C.C.和和D.D.和和 本题解题的关键点是本题解题的关键点是(1)(1)电容器的基本公式电容器的基本公式U U=.=.(2)(2)匀强电场中满足匀强电场中满足E E=.=.
9、(3)(3)根据函数确定图象大致形状根据函数确定图象大致形状.思路点拨思路点拨解析解析 平行板电容器间电压恒定平行板电容器间电压恒定,板间场强板间场强E E=,故故E EQ Q,即即E E ,故故可能正确可能正确.板间电荷量板间电荷量Q Q=UCUC=U U ,与已知与已知Q Q随随时间的变化关系对比可知时间的变化关系对比可知d d(t t+a a),),即待测物体的运动为即待测物体的运动为匀速运动匀速运动,故故可能正确可能正确.答案答案 C C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,试回答下列问试回答下列问题题:(1)(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮?手松
10、开后这个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?按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(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?这时电饭锅会自动地发生哪些动作这时电饭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?为什为什么么?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,使永磁体和感温使
11、永磁体和感温磁体吸合磁体吸合,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;手松开后这手松开后这个按钮不会恢复到图示状态个按钮不会恢复到图示状态,因为永磁体与感温磁体相因为永磁体与感温磁体相互吸引互吸引,弹簧的弹力不能使永磁体恢复原状态弹簧的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,因为水因为水的沸点是的沸点是100,100,此时水分未被米吸收完此时水分未被米吸收完,锅内水分较充锅内水分较充足足,所以能保持一段时间所以能保持一段时间.(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
12、会由100100升到升到103,103,达到居里点达到居里点,此时开关按钮会自动弹起此时开关按钮会自动弹起,断开加断开加热电路热电路,进入保温状态进入保温状态.因为锅底温度达到因为锅底温度达到103103时时,感感温磁体失去磁性温磁体失去磁性,永磁体再不能与它吸合永磁体再不能与它吸合,在弹簧的作在弹簧的作用下用下,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,因为水因为水沸腾的温度是沸腾的温度是100,100,而不能达到而不能达到103(103(居里点居里点),),水将水将一直沸腾直到烧干一直沸腾直到烧干.【例
13、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,图乙图乙为用此热敏电阻为用此热敏电阻R R和继电器组成的一个简单恒温箱温控和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路电路,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为继电器线圈供电的电池的电动势池的电动势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”是是恒温箱加热器的电源恒温箱加热器的电源.问问:图图5 5(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
14、在 (填填“A A、B B”端或端或“C C、D D”端端).).(2)(2)如果要使恒温箱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的的阻值应调节为阻值应调节为 .解析解析 恒温箱内的加热器应接在恒温箱内的加热器应接在A A、B B端端.当线圈中的电当线圈中的电流较小时流较小时,继电器的衔铁在上方继电器的衔铁在上方,恒温箱的加热器处于恒温箱的加热器处于工作状态工作状态,恒温箱内温度升高恒温箱内温度升高.随着恒温箱内温度升高随着恒温箱内温度升高,热敏电阻热敏电阻R R的阻值变小的阻值变小,则线圈则线圈中的电流变大中的电流变大,当线圈的电流大于或等于当线圈的电流大于
15、或等于20 20 mAmA时时,继电继电器的衔铁被吸到下方来器的衔铁被吸到下方来,则恒温箱加热器与电源断开则恒温箱加热器与电源断开,加热器停止工作加热器停止工作,恒温箱内温度降低恒温箱内温度降低.随着恒温箱内温度降低随着恒温箱内温度降低,热敏电阻热敏电阻R R的阻值变大的阻值变大,则线圈则线圈中的电流变小中的电流变小,当线圈的电流小于当线圈的电流小于20 20 mAmA时时,继电器的衔继电器的衔铁又被释放到上方铁又被释放到上方,则恒温箱加热器又开始工作则恒温箱加热器又开始工作,这样这样就可以使恒温箱内保持在某一温度就可以使恒温箱内保持在某一温度.要使恒温箱内的温度保持要使恒温箱内的温度保持50
16、,50,即即5050时线圈内的电流时线圈内的电流为为20 20 mAmA.由闭合电路欧姆定律由闭合电路欧姆定律I I=,=,r r为继电器为继电器的电阻的电阻.由图甲可知由图甲可知,50,50时热敏电阻的阻值为时热敏电阻的阻值为90,90,所以所以R R=-=-R R-r r=260.=260.答案答案 (1)(1)A A、B B端端 (2)260(2)260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,在自动控制在自动控制中发挥着重要作用中发挥着重要作用,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
17、成便于测量的量(通常是电学通常是电学量量),),例如热敏传感器例如热敏传感器,主要是应用了半导体材料制成的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热敏电阻阻值随温度变化的图线如图6 6甲所甲所示示,图乙是由热敏电阻图乙是由热敏电阻R Rt t作为传感器制作的简单自动报作为传感器制作的简单自动报警器的线路图警器的线路图.问问:图图6 6(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点向点
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