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本章整合传感器概念:能把非电学量转换成电学量或电路通断的元件敏感元件光敏电阻:光照强时电阻小热敏电阻:(负温度系数)温度高时电阻小金属热电阻:温度高时电阻大霍尔元件:磁信号→电信号应用模式:传感器→放大、转换电路执行机构显示器计算机系统应用实例力传感器的应用——电子秤(应变片)声传感器的应用——话筒温度传感器的应用电熨斗(双金属片)电饭锅(感温铁氧体)测温仪(热敏电阻、金属热电阻、热电偶等)温度报警器(热敏电阻)光传感器的应用鼠标器火灾报警器光控开关(斯密特触发器、光敏电阻)一二三专题一传感器的工作原理1.传感器感受的通常是非电学量,如力、热、磁、光、声等,而它输出的通常是电学量,这些输出信号是非常微弱的,通常要经过放大后,再送给控制系统产生各种控制动作,传感器原理如框图所示:非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量2.常见敏感元件及特性(1)光敏电阻:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化,光照增强电阻减小,光照减弱电阻增大。(2)热敏电阻和金属热电阻:金属热电阻的电阻率随温度升高而增大,热敏电阻有正温度系数电阻、负温度系数电阻两种。正温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而增大,负温度系数的热敏电阻的阻值随温度升高而减小。(3)霍尔元件:能把磁感应强度这一磁学量转换成电压这一电学量的元件,UH=kIBd。一二三3.传感器应用的一般模式一二三【例题1】某些非电磁量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电磁量来测量的。如图甲所示,一平行板电容器的两个极板竖直放置在光滑的水平平台上,极板的面积为S,极板间的距离为d,电容器的电容公式为C=ESd(E是常数但未知)。极板1固定不动,与周围绝缘,极板2接地,且可在水平平台上滑动,并始终与极板1保持平行。极板2的侧边与劲度系数为k、自然长度为L的两个完全相同的弹簧相连,两弹簧的另一端固定,弹簧L与电容器垂直。如图乙所示是这一装置的应用示意图,先将电容器充电至电压为U后,即与电源断开,再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀向左的待测压强p,使两极板之间的距离发生微小的变化,测得此时电容器的电压改变量为ΔU。设作用在电容器极板2上的静电力不至于引起弹簧可测量到的形变,试求待测压强p。一二三解析:该题根据平行板电容器在电荷量不变的情况下,其两端电压随板间距离变化而变化,从而把力学量(压强p)转化为电学量(电压)来测量。因为U=QC,C=ESd,U'=QC'ΔU=U-U'=QdES−Qd'ES=Q𝛥dES所以Δd=ES𝛥UQ,F=pS2kΔd=pS,p=2k𝛥dS=2kE𝛥UQ。答案:2kE𝛥UQ一二三专题二传感器的应用1.传感器问题涉及知识点多、综合性强、能力要求高。传感器的形式又多种多样,其原理有的还较难理解,因此搞清传感器的工作原理及过程是求解问题的关键。在处理实际问题时,应注意被测量和转换量之间的关系。传感器一般把被测量转换成电学量,因此往往与敏感元件构成电路。认真分析电路结构和各种敏感元件的特性,注意生活中的一些实例,开阔视野,才能对具体问题灵活处理。2.常见传感器:日常生产、生活中常见传感器有:温度传感器、光敏传感器、压力传感器、红外线传感器、位移传感器等。一二三【例题2】一热敏电阻阻值随温度变化的图象如图甲所示。请应用这一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灯亮,而温度低于这一值时绿色指示灯亮。给你的器材有:如图乙所示的继电器一只(a、b为常闭触点,c、d为常开触点)、热敏电阻一只、滑动变阻器一只、红绿色指示灯各一个、两个独立的电池组、开关两个、导线若干。一二三点拨:热敏电阻在温度较高时阻值较小,此时与之串接的电路电流较大,只有流过继电器的电流增大到恰当值,才会使继电器工作使c、d闭合。解析:由图甲可以看出热敏电阻的阻值随温度升高而降低,是负温度系数的热敏电阻,设计的控制电路如图所示。当温度低于某一值时,热敏电阻的阻值较大,流过电磁铁的电流较小,a、b为常闭触点,连接上绿灯,绿色指示灯亮。当温度高于这一值时,热敏电阻的阻值较小,流过电磁铁的电流较大,c、d被闭合,连接上红灯,红色指示灯亮。滑动变阻器作限流式连接,通过调节满足热敏电阻对某一温度的控制。控制电路如图所示。答案:见解析一二三专题三自控电路的分析方法传感器问题具有涉及知识点多、综合性强、能力要求高等特点,而传感器的形式又多种多样,原理较难理解,搞清传感器的工作原理是求解问题的关键。1.确定传感器所感受到的物理量传感器所感受到的物理量有力、热、磁、光、声等。2.转换电路把输出转换成电学量信号通过转换器件把敏感元件的输出转换成电学量信号,最后借助于转换电路把电学量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的量。一二三【例题3】如图所示,A是浮子,B是金属触头,C为住宅楼房顶上的蓄水池,M是带水泵的电动机,D是弹簧,E是衔铁,F是电磁铁,S1、S2分别为触点开关,S为开关,J为电池。请利用上述材料,设计一个住宅楼房顶上的自动注水装置。(1)连接电路图。(2)简述其工作原理(涉及的元件可用字母代替)。一二三解析:(1)连接线路如图所示(2)按图连接好电路,合上开关S,水泵工作,水位升高,当浮子上升使B接触到S1时,左侧电路(控制电路)工作,电磁铁F有磁力,拉下衔铁E,使S2断开,电动机M不工作,停止注水;当水位下降使B与S1脱离,电路停止工作,F无磁性,D拉动E,使S2接通,M工作,两次注水。答案:见解析