形形色色的传感器问题

■河北省故城县育才中学 赵宝菊

形形色色的传感器问题

■河北省故城县育才中学 赵宝菊

传感器是将非电物理量(如位移、加速度、压力、温度、流量、光照强度等)的变化转换成电学量(如电压、电流等)变化的一种元件。传感器应用的一个基本思想是“转化”思想,即利用传感器把某些难以直接测量的物理量转换为比较容易测量的电学量。这种转换既能使得测量方便易行,又能将测得量输入给电子计算机对其所载的信息进行计算和处理。

一、电容式传感器

如图1所示是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图,在导线芯(金属棒)的外面涂上一层绝缘物质(电介质),放在导电液中,金属棒与导电液构成一个电容器(电容为C),将金属棒和导电液分别与直流电源的两极相连接,从电容C、导电液与金属棒间的电压U的变化就能反映液面的升降情况。电源接通后,电容C减小,反映h减小。这是因为液面高度发生变化时,使得电容器两极板间的正对面积发生了变化,引起电容C的变化。电容C减小说明电容器两极板间的正对面积减小,即液面高度减小。电源接通再断开后,电压U减小,反映h增大。

图1

利用电容器。还可以制成如图2所示的位移传感器。若两极板间的电压不变,当有电流流向传感器的负极时,则说明电介质进入极板的长度变小。

图2

如图3所示为利用电容器制成的测速计原理图,其基本原理是把速度这一力学量转换成电流进行测量。滑动触头P与某运动物体相连,当触头P匀速滑动时,电流表有一定的示数,从电流表示数可以求得运动物体的速度。已知电源电动势E=4V,内阻r= 10Ω,AB为粗细均匀的电阻丝,其总阻值R= 30Ω、长度L=30cm,电容C=50μF。现测得电流表示数为0.05mA,电流方向为b→a,求运动物体的速度大小和运动方向。

图3

解析：在这个实际问题中,只要设法计算出滑动触头P移过一段微小距离Δx时电容器两端的电压变化,即可求得电容器的充、放电电流表达式,据此进一步可求得运动物体的速度。通过电阻丝的电流约为100mA≫0.05mA,即相比于通过电阻丝的电流,电容器中的充、放电电流可忽略不计。因此可视为整根电阻丝与电源串联,当滑动触头P移过微小距离Δx时,电容器两端的电压变化量器的充、放电电流,联立以上各式解得=10cm/s。由电容器左极板带正电,通过电流表的电流方向为b→a可知,电容器是放电的,即电容器两端的电压降低,故物体的运动方向向右。

二、力电传感器

力电传感器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AB S防抱死制动系统等。

演示位移传感器的工作原理如图4所示,当物体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,则物体M运动时,电源内的电流不会发生变化,但电压表的示数会发生变化。当物体M不动时,因为存在闭合回路,所以电路中也有电流,电压表同样有示数。

图4

图5

某同学为了测量一物体的质量,找到一个可以测量物体质量的转换器,该转换器的输出压正比于受压面的压力(比例系数为k),如图5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零,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m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个,开关及导线若干,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,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。

解析：(1)要求力电转换器的输入电压可调,则可利用滑动变阻器来实现;为使电压的调节范围尽可能大,则应采用分压式测量电路。完整的测量电路图如图6所示。

(2)①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零;②将砝码放在转换器的受压面上,记下输出电压U0;③将待测物体放在转换器的受压面上,记下输出电压U1。由又有U=k m g,解得

图6

1

(3)实验中可能会出现如下问题:①因电源电压不够而使输出电压调不到零;②待测物体质量超出转换器量程。

三、热电传感器

图7

热电传感器是将热学物理量转变为电学物理量的元件。如图7所示是用来测定高温物体温度的电阻温度计示意图,A是用金属铂制成的探头(随温度的升高电阻率增大),B是灵敏电流计,E是恒定电源。若将A置入高温物体中(如炼钢炉、核反应堆等),可以通过其电阻率的变化来测定温度。当B偏转的角度最大时,电路中的电流最强,即电路的电阻最小,应是物体的温度最低。

热敏电阻是传感电路中常用的电子元件之一,与一般的电阻不同,热敏电阻的阻值随温度的升高而变小。利用热敏电阻的这一特性可以制成温度传感器。温度传感器广泛应用于空调、电冰箱和微波炉等家用电器中。

在如图8甲所示电路中,电源电动势E=9V,电源内阻忽略不计,G为小量程的电流表,电流表内阻Rg保持不变,R为热敏电阻,其阻值与温度的变化关系如图8乙所示。闭合开关S,当热敏电阻R的温度等于20℃时,电流表示数I1=2mA,则当电流表的示数I2=3.6mA时,热敏电阻R的温度为多少?

图8

解析：由R-t图像可知,当t1=20℃时, R1=4k Ω,由闭合电路欧姆定律得I1=解得Rg=500Ω。同理有I2= ,解得R2=2k Ω。由R-t图像知t2= 120℃。

四、光电传感器

光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管,它们都利用了光电传感器的原理。如在用遥控器调换电视机频道的过程中,实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程,属于这类传感器的还有红外报警装置、路灯的控制器、光电计数器、烟雾报警器等。

如图9所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻,此光电计数器的基本工作原理是( )。

A.当有光照射时,信号处理系统获得高电压

图9

B.当有光照射时,信号处理系统获得低电压

C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次

D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次

解析：光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化,且其阻值随光照强度的增大而减小。当有光照射光敏电阻R1时,光敏电阻R1的阻值减小,根据串联电路的基本特点可知,光敏电阻R1分得的电压减小,故信号处理系统获得低电压;反之,当光线被物品遮挡时,信号处理系统获得的是高电压,故信号处理系统每获得一次高电压就记数一次。答案为B D。

电学量具有便于控制、放大、衰减、波形整理、显示、可储存、远距离传输等技术方面的优点,尤其是将电学量与计算机技术结合,可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化。信息处理技术取得的进展及微处理器和计算机技术的高速发展,都需要在传感器的开发方面有新的进展。作为信息采集系统的前端单元,传感器的重要性愈发明显地表现出来。

图10

1.传感器在自动控制、信息处理技术中承担着信息采集与转换的作用。如光敏电阻将光信号转换为电信号、热敏电阻将热信号转换为电信号。如图10所示是大型电子地磅的电路图,它是利用弹簧长度的变化使接入电路的滑动变阻器的阻值变化,将____信号转换为电信号的。图中地磅刻度是____的(填“均匀”或“不均匀”)。

2.如图11所示,将金属块用压缩的弹簧卡在一个矩形箱中,在箱的上顶板和下顶板安有压力传感器,箱可以沿竖直轨道运动。当箱以a=2m/s2的加速度做竖直向上的匀减速运动时,上顶板的传感器显示的压力为6N,下顶板的传感器显示的压力为10N,取g=10m/s2。

图11

(1)若上顶板传感器的示数是下顶板示数的一半,试判断箱的运动情况。

(2)若上顶板传感器的示数为0,则箱沿竖直方向的运动可能是怎样的?

图12

3.某同学设计了一个加速度计,如图12所示。较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移,滑块两侧用两根弹簧3拉着;R为滑动变阻器,4是滑动片,它与滑动变阻器任一端间的阻值都与它到这端的距离成正比。这个装置实际上是一个加速度传感器。工作时将框架1固定在被测物体上,使弹簧及电阻R均与物体的运动方向平行。当被测物体加速运动时,滑块将在弹簧的作用下,以同样的加速度运动。通过电路中仪表的读数,可以得知加速度的大小。

已知两个电池的电动势E相同,均为9V,内阻可以忽略不计,滑块的质量为0.6kg,两弹簧的劲度系数均为2×102N/m,滑动变阻器的全长为9cm,被测物体可能达到的最大加速度为20m/s2(此时弹簧仍在弹性限度内),电压表为指针式直流电压表(可视为理想电压表),零刻度在表盘中央(可显示正负电压),当P端的电势高于Q端时,指针向零刻度右侧偏转。当被测物体的加速度为零时,电压表的示数为零;当被测物体的加速度达到最大时,电压表的示数为满偏值。

(1)当加速度为零时,应将滑动片调到距滑动变阻器左端____cm处。

(2)当物体具有图示方向的加速度a时,电压表的指针将向零刻度____(填“左”“右”)侧偏转。

(3)所给电压表量程为____V。

(4)若将电压表的表盘换成直接表示加速度大小及方向的刻度盘,则表盘的刻度____(填“均匀”“非均匀”)分布。

4.如图13甲所示,一根竖直悬挂的不可伸长的轻绳下端拴一小物块A,上端固定在C点且与一能测量轻绳拉力的力传感器相连。已知一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入物块A内(未穿透)后,两者一起绕C点在竖直面内做圆周运动,在各种阻力都可忽略的条件下,力传感器测得轻绳的拉力F随时间t的变化关系如图13乙所示。已知子弹射入的时间极短,且t=0时刻为小物块A、子弹B开始以相同速度运动的时刻。根据力学规律和题中提供的信息,对于反映悬挂系统本身性质的物理量(例如小物块A的质量)及在小物块A、子弹B一起运动过程中的守恒量,你能求得哪些定量的结果?

图13

参考答案：1.力 不均匀

2.设金属块的质量为m,由牛顿第二定律得F上-F下+m g=m a,解得m=0.5kg。

(1)当上顶板传感器的示数是下顶板传感器示数的一半时,上顶板仍有压力说明弹簧的长度没有变化,因此弹簧的弹力仍为10N。设此时箱的加速度为a1,则由牛顿第二定律得F下-F下+m g=m a1,解得a1= 0。因此箱静止或做匀速直线运动。

(2)当上顶板不受压力作用时,弹簧的长度只能等于或小于目前的长度,即下顶板受到的压力等于或大于10N,这时金属块的加速度a2应满足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,向上加速或向下减速,便可满足要求。

3.(1)4.5(2)左 (3)6(4)均匀

4.由F-t图像可以直接看出,小物块A、子弹B一起做周期性运动,则运动的周期T=2t0。令m表示小物块A的质量,l表示绳长,v1表示子弹B陷入物块A内(t=0)时二者的速度(圆周运动最低点的速度),v2表示二者运动到最高点时的速度,F1表示二者运动到最低点时轻绳的拉力,F2表示二者运动到最高点时轻绳的拉力,则F2=0,F1= Fmax。根据动量守恒定律可知,在最低点和最高点分别有m0v0=(m0+m)v1。由牛顿运动定律得由机械能守恒定律得联立以上各式解得m=在小物块A、子弹B一起运动的过程中,守恒量是机械能E,取最低点为重力势能零点,则

(责任编辑 张 巧)