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高中物理传感器及其工作原理_传感器的应用实验_传感器图片

高中物理传感器及其工作原理_传感器的应用实验_传感器图片


· 高中物理传感器知识点


掌握常见传感器元件的基本物理特性,掌握常见传感器的工作原理,了解传感器在生产生活中的应用。常见传感器有温度传感器(电熨斗、电饭锅、测温仪)、光传感器(光电鼠标、火灾报警器)、斯密特触发器等等。

考点1:传感器的含义

传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等)转换成易于测量、传输、处理的电学量(如电压、电流、电容等)的一种组件,起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成,如

考点2:传感器的分类

1.力电传感器: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。

2.热电传感器:热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理把热学信号转化成电学信号制成的,如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。

3.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。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理把光信号转变成电信号制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。

4.声电传感器:声电传感器是利用电磁感应的原理把声音信号转变成电信号。如动圈式话筒、电容式话筒等。

5.电容式传感器:电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度、位移、深度等)的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化,起这种作用的电容器称为电容式传感器。

6.电感传感器: 电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来测量或控制的一种装置把磁信号转变成电信号,一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。

电感式传感器

利用电磁感应把被测的物理量如位移,压力,流量,振动等转换成线圈的自感系数L和互感系数M的变化,再由电路转换为电压或电流的变化量输出,实现非电量到电量的转换。

电感式传感器分为自感式和互感式两大类。自感式传感器有变气隙型、螺管型和差动型三种。差动式变压器测量电路有差动整流电路和相敏检波电路。

传感器静态特性

传感器静态特性的主要有:线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、漂移(温漂和零点飘移)等。

1、线性度:指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

2、灵敏度:是指传感器输出的变化量与引起该输出变化量的输入变化量的比值。

3、重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度,且越大越好。

4、分辨力:当传感器的输入从非零值缓慢增加时,在超过某一增量后输出发生可观测的变化,这个输入增量称传感器的分辨力,即最小输入增量。

5、迟滞性:传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。

6、漂移:传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面:一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。

7、阈值:当传感器的输入从零值开始缓慢增加时,在达到某一值后输出发生可观测的变化,这个输入值称传感器的阈值电压。

压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现符号相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。

当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

纵向压电效应:是指对于压电效应材料来讲,沿电轴(x轴)方向施加压力产生的压电效应。

横向压电效应:沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应。

电阻应变片是用于测量应变的元件。它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。其电阻的相对变化率为∆R/R=Ks*ε。其中,Ks为材料的应变灵敏系数,其物理意义是单位应变的电阻变化率,标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。ε为应变,为无量纲。横向应变量εr=-με(纵向应变量)。


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