第六章　传感器

第六章　传感器 第2节传感器的应用（一）1

传感器应用的一般模式：

一.力电传感器的应用——电子秤 阅读教材，思考并回答问题：（1）电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？（2）简述力传感器的工作原理。（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？

应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量

练习.关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（ ） A.应变片多用半导体材料制成 B.当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小 C.传感器输出的是应变片上的电压 D.外力越大，输出的电压差值也越大 A B D

例1（2003上海）演示位移传感器的工作原理如图示，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 • 物体M不动时，电压表没有 • 示数 B

P U 10 0 10 例2:(1) 加速度计的构造和原理的示意图如图，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. 设某段时间内系统沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为S，则这段时间内系统的加速度（） 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 D

P U U0 10 0 10 (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，当系统以加速度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，试写出U与a 的函数关系式。 U=mU0 a / 2kL∝a

例3: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例3: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 O ω O′ 输出电压U P B C S U= Em ω2／(k-mω2)

例4、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

解：（1）（2）原来 F F=10N F a3 a2 a F2 F1 =6N mg mg mg m 上顶板示数是下底板示数的1/2 上顶板示数为零，则弹簧变短，向上做匀减速运动a向下a=2m/s2 弹簧长度不变F=10N F2=5N F≥10N F3=0 F – mg = ma3 mg+F1-F=ma a3 ≥ 10m/s2 mg+F2-F=ma2 向上加速或向下减速，加速度a≥ 10m/s2。 m=0.5kg a2=0 静止或匀速运动

力电传感器的应用 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.测质量 2.测力 3.测物体加（角）速度 4.测位移

受压面 力电转换器输出输入＋＋－－例5：为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（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上物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量m。（1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，画出完整的测量电路图。（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。

解（1）电路图如图所示，输入电压采用分压接法目的是让电压可调范围尽可能大。 S 力电转换器受压器输入输出＋＋－－ R V （2）测量步骤： ①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零。 ②将质量为m0的砝码放在转换器上，记下输出电压U0。 ③将待测物体放在转换器上，记下输出电压U1，由U0=km0g得k=U0/m0g，测得U1=kmg，所以m=m0U1/U0。（3）可能出现的问题 ①因电源电压不够而输出电压调不到零。 ②待测物体质量超出转换器量程。

R0 O A 电源 θ C/ C D P 例题6：风力测定仪原理如图,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,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： 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？

问题与练习 P58(2)

第六章 传感器