[選修3-2]64傳感器的應(yīng)用實(shí)例(已修改)
2024-12-03 20:16 本頁(yè)面
【正文】 傳感器的應(yīng)用 力電傳感器 :主要是利用敏感元件和變阻器把 力學(xué)信號(hào) （位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為 電學(xué)信號(hào) （電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及 ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等。 例 1：某學(xué)生為了測(cè)量一個(gè)物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為 k）如圖所示，測(cè)量時(shí)先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放上物體，即可測(cè)得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓 U。 現(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為 m0的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、干電池一個(gè)、電鍵及導(dǎo)線若干、待測(cè)物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）。請(qǐng)完成對(duì)該物體的測(cè)量 m。 （ 1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要求力轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測(cè)量電路圖。 （ 2）簡(jiǎn)要說(shuō)明測(cè)量步驟，求出比例系數(shù) k，并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量m。 （ 3）請(qǐng)?jiān)O(shè)想實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題。 力電轉(zhuǎn)換器 ＋ ＋ － － 輸出 輸入 受壓面 (1) 設(shè)計(jì)電路如圖 (2) 測(cè)量步驟與結(jié)果 :① 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 ,使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零 ,② 將砝碼放在轉(zhuǎn)換器上 ,記下輸出電壓 U0,③ 將待測(cè)物放在轉(zhuǎn)換器上 ,記下輸出電壓 U 由 U0=km0g,得 k=U0/m0g U=k m g,所以 m=m0U/U0 例題 2：（風(fēng)力測(cè)定儀）如圖所示為一種測(cè)定風(fēng)作用力的儀器原理圖，圖中 P為金屬球，懸掛在一細(xì)長(zhǎng)裸金屬絲下面， O是懸掛點(diǎn)， R0是保護(hù)電阻， CD是水平放置的光滑電阻絲，與懸掛小球的細(xì)金屬絲始終保持良好接觸，無(wú)風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲與電阻絲在 C點(diǎn)接觸，此時(shí)電路中的電流為 I，有風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲將偏轉(zhuǎn)一角度 θ （ θ 與風(fēng)力大小有關(guān)），細(xì)金屬絲與電阻絲在 C/點(diǎn)接觸，已知風(fēng)力方向水平向左，OC=h， CD=L，球的質(zhì)量為 M，電阻絲單位長(zhǎng)度的電阻為 k，電源內(nèi)電阻和細(xì)金屬絲電阻均不計(jì)，金屬絲偏轉(zhuǎn) θ 角時(shí)，電流表的示數(shù)為 I/，此時(shí)風(fēng)力大小為 F，試寫出： ① 風(fēng)力大小 F與 θ的關(guān)系式； ② 風(fēng)力大小 F與電流表示數(shù) I/ 的關(guān)系式 。 ③此裝置所測(cè)定的最大風(fēng)力是多少 ？ R0 O P D B θ C A 電 源 例 3(1)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈工程中，這個(gè)系統(tǒng)的重要元件是加速度計(jì)。加速度計(jì)的構(gòu)造和原理的示意圖如圖示，沿導(dǎo)彈長(zhǎng)度方向按裝的固定光滑桿上套一個(gè)質(zhì)量為 m的滑塊，滑塊的兩側(cè)分別與勁度系數(shù)均為 k的彈簧相連，兩彈簧的另一端與固定壁相連?；瑝K原來(lái)靜止，彈簧處于自然長(zhǎng)度。滑塊上有指針，可通過(guò)標(biāo)尺測(cè)出滑塊的位移，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)。設(shè)某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運(yùn)動(dòng)，指針向左偏離 O點(diǎn)的距離為 S，則這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈的加速度 （ ） A. 方向向左，大小為 k S/m B．方向向右，大小為 k S/m C．方向向左，大小為 2k S/m D. 方向向右，大小為 2k S/m 0 10 10 U P D (2)若電位器 （ 可變電阻 ） 總長(zhǎng)度為 L， 其電阻均勻 ， 兩端接在穩(wěn)壓電源 U0上 ， 當(dāng)導(dǎo)彈以加速度 a沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 與滑塊連接的滑動(dòng)片 P產(chǎn)生位移 ， 此時(shí)可輸出一個(gè)電信號(hào) U， 作為導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源 ， 為控制導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸入信息 ， 試寫出 U與 a 的函數(shù)關(guān)系式 。 0 10 10 U P U0 解： a=2kS/m ∴ S=ma/2k U=U0 Rx / R = U0 S / L =maU0 / 2kL =mU0 a / 2kL∝ a 例題 4：加速度計(jì)是測(cè)定物體加速度的儀器，它已成為導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇后宇宙飛船制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。如圖為應(yīng)變式加速度計(jì)示意圖，當(dāng)系統(tǒng)加速時(shí)，加速度計(jì)中的敏感元件也處于加速狀態(tài)，敏感元件由彈簧連接并架在光滑支架上，支架與待測(cè)系統(tǒng)固定在一起，敏感元件下端的滑動(dòng)臂可在滑動(dòng)變阻器 R上自由滑動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，敏感元件發(fā)生位移，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，已知：敏感元件的質(zhì)量為 m，兩彈簧的勁度系數(shù)為 k，電源的電動(dòng)勢(shì)為 E，內(nèi)電阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的總電阻為 R，有效長(zhǎng)度為 L，靜態(tài)時(shí)輸出電壓為 U0。試求加速度 a與輸出電壓 U的關(guān)系式。 ① 滑動(dòng)觸頭左右移動(dòng)過(guò)程中， 電路中電流如何變化？ ②若車的加速度大小為 a，則 兩彈簧的形變量是多少？ ③求加速度 a與輸出電壓 U的 關(guān)系式 敏感 元件 輸出 信號(hào) E R 例題 5：（ 2020上?？碱}）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體 M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿 p，通過(guò)電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來(lái)反映物體位移的大小 x。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說(shuō)法正確的是 ( ) A 物體 M運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化 B 物體 M運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化
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