形形色色的傳感器問題

■河北省故城縣育才中學 趙寶菊

形形色色的傳感器問題

■河北省故城縣育才中學 趙寶菊

傳感器是將非電物理量(如位移、加速度、壓力、溫度、流量、光照強度等)的變化轉換成電學量(如電壓、電流等)變化的一種元件。傳感器應用的一個基本思想是“轉化”思想,即利用傳感器把某些難以直接測量的物理量轉換為比較容易測量的電學量。這種轉換既能使得測量方便易行,又能將測得量輸入給電子計算機對其所載的信息進行計算和處理。

一、電容式傳感器

如圖1所示是一種測定液面高度的電容式傳感器的示意圖,在導線芯(金屬棒)的外面涂上一層絕緣物質(電介質),放在導電液中,金屬棒與導電液構成一個電容器(電容為C),將金屬棒和導電液分別與直流電源的兩極相連接,從電容C、導電液與金屬棒間的電壓U的變化就能反映液面的升降情況。電源接通后,電容C減小,反映h減小。這是因為液面高度發生變化時,使得電容器兩極板間的正對面積發生了變化,引起電容C的變化。電容C減小說明電容器兩極板間的正對面積減小,即液面高度減小。電源接通再斷開后,電壓U減小,反映h增大。

圖1

利用電容器。還可以制成如圖2所示的位移傳感器。若兩極板間的電壓不變,當有電流流向傳感器的負極時,則說明電介質進入極板的長度變小。

圖2

如圖3所示為利用電容器制成的測速計原理圖,其基本原理是把速度這一力學量轉換成電流進行測量。滑動觸頭P與某運動物體相連,當觸頭P勻速滑動時,電流表有一定的示數,從電流表示數可以求得運動物體的速度。已知電源電動勢E=4V,內阻r= 10Ω,AB為粗細均勻的電阻絲,其總阻值R= 30Ω、長度L=30cm,電容C=50μF。現測得電流表示數為0.05mA,電流方向為b→a,求運動物體的速度大小和運動方向。

圖3

解析：在這個實際問題中,只要設法計算出滑動觸頭P移過一段微小距離Δx時電容器兩端的電壓變化,即可求得電容器的充、放電電流表達式,據此進一步可求得運動物體的速度。通過電阻絲的電流約為100mA?0.05mA,即相比于通過電阻絲的電流,電容器中的充、放電電流可忽略不計。因此可視為整根電阻絲與電源串聯,當滑動觸頭P移過微小距離Δx時,電容器兩端的電壓變化量器的充、放電電流,聯立以上各式解得=10cm/s。由電容器左極板帶正電,通過電流表的電流方向為b→a可知,電容器是放電的,即電容器兩端的電壓降低,故物體的運動方向向右。

二、力電傳感器

力電傳感器是利用敏感元件和變阻器把力學信號(位移、速度、加速度等)轉化為電學信號(電壓、電流等)的儀器。力電傳感器廣泛地應用于社會生產、現代科技中,如安裝在導彈、飛機、潛艇和宇宙飛船上的慣性導航系統及AB S防抱死制動系統等。

演示位移傳感器的工作原理如圖4所示,當物體M在導軌上平移時,帶動滑動變阻器的金屬滑桿P,通過電壓表顯示的數據來反映物體位移的大小x。假設電壓表是理想的,則物體M運動時,電源內的電流不會發生變化,但電壓表的示數會發生變化。當物體M不動時,因為存在閉合回路,所以電路中也有電流,電壓表同樣有示數。

圖4

圖5

某同學為了測量一物體的質量,找到一個可以測量物體質量的轉換器,該轉換器的輸出壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k),如圖5所示。測量時先調節輸入端的電壓,使轉換器空載時的輸出電壓為零,而后在其受壓面上放一物體,即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓U。現有下列器材:力電轉換器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個,開關及導線若干,待測物體(可置于力電轉換器的受壓面上)。請完成對該物體質量的測量。

(1)設計一個電路,要求力電轉換器的輸入電壓可調,并且使電壓的調節范圍盡可能大,畫出完整的測量電路圖。

(2)簡要說明測量步驟,求出比例系數k,并測出待測物體的質量m。

(3)請設想實驗中可能會出現的一個問題。

解析：(1)要求力電轉換器的輸入電壓可調,則可利用滑動變阻器來實現;為使電壓的調節范圍盡可能大,則應采用分壓式測量電路。完整的測量電路圖如圖6所示。

(2)①調節滑動變阻器,使轉換器的輸出電壓為零;②將砝碼放在轉換器的受壓面上,記下輸出電壓U0;③將待測物體放在轉換器的受壓面上,記下輸出電壓U1。由又有U=k m g,解得

圖6

1

(3)實驗中可能會出現如下問題:①因電源電壓不夠而使輸出電壓調不到零;②待測物體質量超出轉換器量程。

三、熱電傳感器

圖7

熱電傳感器是將熱學物理量轉變為電學物理量的元件。如圖7所示是用來測定高溫物體溫度的電阻溫度計示意圖,A是用金屬鉑制成的探頭(隨溫度的升高電阻率增大),B是靈敏電流計,E是恒定電源。若將A置入高溫物體中(如煉鋼爐、核反應堆等),可以通過其電阻率的變化來測定溫度。當B偏轉的角度最大時,電路中的電流最強,即電路的電阻最小,應是物體的溫度最低。

熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件之一,與一般的電阻不同,熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而變小。利用熱敏電阻的這一特性可以制成溫度傳感器。溫度傳感器廣泛應用于空調、電冰箱和微波爐等家用電器中。

在如圖8甲所示電路中,電源電動勢E=9V,電源內阻忽略不計,G為小量程的電流表,電流表內阻Rg保持不變,R為熱敏電阻,其阻值與溫度的變化關系如圖8乙所示。閉合開關S,當熱敏電阻R的溫度等于20℃時,電流表示數I1=2mA,則當電流表的示數I2=3.6mA時,熱敏電阻R的溫度為多少?

圖8

解析：由R-t圖像可知,當t1=20℃時, R1=4k Ω,由閉合電路歐姆定律得I1=解得Rg=500Ω。同理有I2= ,解得R2=2k Ω。由R-t圖像知t2= 120℃。

四、光電傳感器

光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管,它們都利用了光電傳感器的原理。如在用遙控器調換電視機頻道的過程中,實際上就是傳感器把光信號轉化為電信號的過程,屬于這類傳感器的還有紅外報警裝置、路燈的控制器、光電計數器、煙霧報警器等。

如圖9所示為光敏電阻自動計數器的示意圖,其中R1為光敏電阻,R2為定值電阻,此光電計數器的基本工作原理是( )。

A.當有光照射時,信號處理系統獲得高電壓

圖9

B.當有光照射時,信號處理系統獲得低電壓

C.信號處理系統每獲得一次低電壓就記數一次

D.信號處理系統每獲得一次高電壓就記數一次

解析：光敏電阻的阻值隨光照強度的變化而變化,且其阻值隨光照強度的增大而減小。當有光照射光敏電阻R1時,光敏電阻R1的阻值減小,根據串聯電路的基本特點可知,光敏電阻R1分得的電壓減小,故信號處理系統獲得低電壓;反之,當光線被物品遮擋時,信號處理系統獲得的是高電壓,故信號處理系統每獲得一次高電壓就記數一次。答案為B D。

電學量具有便于控制、放大、衰減、波形整理、顯示、可儲存、遠距離傳輸等技術方面的優點,尤其是將電學量與計算機技術結合,可以方便地實現信息的采集、處理、輸出的自動化和智能化。信息處理技術取得的進展及微處理器和計算機技術的高速發展,都需要在傳感器的開發方面有新的進展。作為信息采集系統的前端單元,傳感器的重要性愈發明顯地表現出來。

圖10

1.傳感器在自動控制、信息處理技術中承擔著信息采集與轉換的作用。如光敏電阻將光信號轉換為電信號、熱敏電阻將熱信號轉換為電信號。如圖10所示是大型電子地磅的電路圖,它是利用彈簧長度的變化使接入電路的滑動變阻器的阻值變化,將____信號轉換為電信號的。圖中地磅刻度是____的(填“均勻”或“不均勻”)。

2.如圖11所示,將金屬塊用壓縮的彈簧卡在一個矩形箱中,在箱的上頂板和下頂板安有壓力傳感器,箱可以沿豎直軌道運動。當箱以a=2m/s2的加速度做豎直向上的勻減速運動時,上頂板的傳感器顯示的壓力為6N,下頂板的傳感器顯示的壓力為10N,取g=10m/s2。

圖11

(1)若上頂板傳感器的示數是下頂板示數的一半,試判斷箱的運動情況。

(2)若上頂板傳感器的示數為0,則箱沿豎直方向的運動可能是怎樣的?

圖12

3.某同學設計了一個加速度計,如圖12所示。較重的滑塊2可以在光滑的框架1中平移,滑塊兩側用兩根彈簧3拉著;R為滑動變阻器,4是滑動片,它與滑動變阻器任一端間的阻值都與它到這端的距離成正比。這個裝置實際上是一個加速度傳感器。工作時將框架1固定在被測物體上,使彈簧及電阻R均與物體的運動方向平行。當被測物體加速運動時,滑塊將在彈簧的作用下,以同樣的加速度運動。通過電路中儀表的讀數,可以得知加速度的大小。

已知兩個電池的電動勢E相同,均為9V,內阻可以忽略不計,滑塊的質量為0.6kg,兩彈簧的勁度系數均為2×102N/m,滑動變阻器的全長為9cm,被測物體可能達到的最大加速度為20m/s2(此時彈簧仍在彈性限度內),電壓表為指針式直流電壓表(可視為理想電壓表),零刻度在表盤中央(可顯示正負電壓),當P端的電勢高于Q端時,指針向零刻度右側偏轉。當被測物體的加速度為零時,電壓表的示數為零;當被測物體的加速度達到最大時,電壓表的示數為滿偏值。

(1)當加速度為零時,應將滑動片調到距滑動變阻器左端____cm處。

(2)當物體具有圖示方向的加速度a時,電壓表的指針將向零刻度____(填“左”“右”)側偏轉。

(3)所給電壓表量程為____V。

(4)若將電壓表的表盤換成直接表示加速度大小及方向的刻度盤,則表盤的刻度____(填“均勻”“非均勻”)分布。

4.如圖13甲所示,一根豎直懸掛的不可伸長的輕繩下端拴一小物塊A,上端固定在C點且與一能測量輕繩拉力的力傳感器相連。已知一質量為m0的子彈B沿水平方向以速度v0射入物塊A內(未穿透)后,兩者一起繞C點在豎直面內做圓周運動,在各種阻力都可忽略的條件下,力傳感器測得輕繩的拉力F隨時間t的變化關系如圖13乙所示。已知子彈射入的時間極短,且t=0時刻為小物塊A、子彈B開始以相同速度運動的時刻。根據力學規律和題中提供的信息,對于反映懸掛系統本身性質的物理量(例如小物塊A的質量)及在小物塊A、子彈B一起運動過程中的守恒量,你能求得哪些定量的結果?

圖13

參考答案：1.力 不均勻

2.設金屬塊的質量為m,由牛頓第二定律得F上-F下+m g=m a,解得m=0.5kg。

(1)當上頂板傳感器的示數是下頂板傳感器示數的一半時,上頂板仍有壓力說明彈簧的長度沒有變化,因此彈簧的彈力仍為10N。設此時箱的加速度為a1,則由牛頓第二定律得F下-F下+m g=m a1,解得a1= 0。因此箱靜止或做勻速直線運動。

(2)當上頂板不受壓力作用時,彈簧的長度只能等于或小于目前的長度,即下頂板受到的壓力等于或大于10N,這時金屬塊的加速度a2應滿足F下-m g=m a2,解得a2= 10m/s2。故只要箱的加速度向上,且等于或大于10m/s2,向上加速或向下減速,便可滿足要求。

3.(1)4.5(2)左 (3)6(4)均勻

4.由F-t圖像可以直接看出,小物塊A、子彈B一起做周期性運動,則運動的周期T=2t0。令m表示小物塊A的質量,l表示繩長,v1表示子彈B陷入物塊A內(t=0)時二者的速度(圓周運動最低點的速度),v2表示二者運動到最高點時的速度,F1表示二者運動到最低點時輕繩的拉力,F2表示二者運動到最高點時輕繩的拉力,則F2=0,F1= Fmax。根據動量守恒定律可知,在最低點和最高點分別有m0v0=(m0+m)v1。由牛頓運動定律得由機械能守恒定律得聯立以上各式解得m=在小物塊A、子彈B一起運動的過程中,守恒量是機械能E,取最低點為重力勢能零點,則

(責任編輯 張 巧)