范文一:浅谈机器人传感器及其应用
华章
MagnificentWriting
浅谈机器人传感器及其应用
余亮亮
(孝感学院城建学院,湖北孝感432000)
[摘要]本文对机器人中常用的传感器的种类、原理、功能作了简单的介绍,并介绍了国内外机器人传感器技术的
发展现状,指出了机器人传感器技术是机器人智能化的关键技术之一。机器人传感器技术对机器人智能化有着重要的促进作用,其中多传感器信息融合技术及其算法又是传感器的研究重点。
[关键词]机器人;传感器;多传感器信息融合技术[中图分类号]TP242[文献标识码]A[文章编号]1009-5489(2011)03-0256-011、机器人与传感器
1.1机器人传感器技术。机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识,涉及到当今许多前沿领域的技术。机器人技术应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域。近20年来,机器人技术有了很大的发展,特别是工业机器人已经达到产业化水平,智能机器人技术也有了相当的发展。机器人技术及相关自动化装备的发展水平和拥有量已成为衡量一个国家工业水平的重要指标。
1.2机器人传感器分类。机器人传感器主要包括机器人视觉、力觉、触觉、接近觉、距离觉、姿态觉、位置觉等传感器。机器人传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。
内部传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置,安装在机器人自身中,用来感知机器人自己的状态,以调整和控制机器人的行动。内部传感器通常由位置、加速度、速度及压力传感器等组成。
外部传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息,使机器人和环境发生交互作用,从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外部传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉和味觉等传感器。
触觉是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要的知觉形式,是机器人实现与环境直接作用的必需的媒介。与视觉不同,触觉本身有着很强的敏感能力,可直接测量对象和环境的多种性质特征,因此触觉不仅仅只是视觉的一种补充,触觉的主要任务是为了获取对象与环境信息和为完成某种作业任务而对机器人与对象,环境相互作用时的一系列物理特征量进行检测或感知。
视觉传感器的基本原理是将光通过光电元件转换成电信号,通过各种成像技术对看到的作业对象进行分析处理,抽取有用的信息将其输出。其结果可供技术人员观察,更多的是直接输入给机器人的控制系统,起到反馈外界环境信息的目的。常用的视觉传感器有摄像机、CCD图像传感器、超声波传感器等。视觉传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统。
接近觉传感器介于触觉传感器与视觉传感器之间,不仅可以测量距离和方位,而且可以融合视觉和触觉传感器的信息。接触觉传感器可以辅助视觉系统的功能,来判断对象物体的方位、外形,同时识别其表面形状。因此,为了准确定位抓紧部件,对机器人接近觉传感器的精度要求比较高。
听觉传感器是将声源通过空气振动产生的声波转换成电信号的换能设备,机器人的听觉传感器的功能相当于机器人的“耳朵”,要具有接收声音信号的功能,然后是语音识别系统,随着IBMViavoice研制成功,基于该技术的语音识别系统相继问世。
嗅觉传感器是由气敏元件将感测的气味转换为电信号的换能设备。常见的人工系统一般由气敏传感器阵列和分析处理器构成。
味觉是指酸、咸、甜、苦、辣等人类味觉器官的感觉。在人类味觉系统中,舌头表面味蕾上的味觉细胞的生物膜可以感受味觉。味觉物质被转化为电信号,经神经纤维传至大脑,这样人就感受到味觉
2、国内外机器人传感器技术的发展现状
2.1国外机器人传感器技术发展现状。日本、美国和欧洲机器人研究较早,机器人技术比较先进.2005年,美国宇航局戈达德太空飞行中心技术专家弗拉迪米尔,鲁梅尔斯基将传感器植入机器人的皮肤覆盖层中,这种高科技机器人皮肤可使机器人更出色地完成太空探索任务。
2.2我国机器人传感器技术研究现状。我国机器人研究起步较晚,但是经过多年的努力,我国机器人传感器技术在原有的相关研究基础几乎空白的情况下,有了长足的进步。我国机器人智能传感器的主要成就如下:(1)6维力/力矩传感器系列。6维力/力矩传感器是机器人最重要的外部传感器之一,它能同时获取3维空间的3维力和力矩信息,广泛应用于力/位置控制、轴孔配合、轮廓跟踪及双机器人协调等机器人控制。中科院、国家基金委、国家“863”计划等先后多次资助这类项目的研究,取得的研究成果包括:6维腕力传感器、6维/多维指力传感器、6维/多维脚力传感器等;(2)触觉传感器系列。触觉传感器通过接触方式去感知目标物的表面形貌特征、接触力信息,进而实现目标识别、判别接触位置以及有无滑动的趋势等,是一种与视觉功能互补的感觉功能;(3)位置/姿态传感器系列
位置/姿态传感器系列用于对机器人末端执行器的位置和姿态的判断。我国已成功研制出气流式倾角传感器、液体倾角传感器、激光轴角编码器、超声波、激光、红外测距传感器等;(4)带有力/触觉临场感的机器人装配作业平台。装配作业平台操纵机器人主手,通过远距离的从手完成目标搜索、抓取操作时,有力/触觉临场感;实现了6维腕力传感器的动态补偿,使其动态响应小于5ms;将运动视觉与超声测距相结合于机器人作业中的工件识别、定位与抓取,使机器人作业能适应非结构化环境和复杂的工艺过程。
2.3机器人传感器技术的发展趋势。未来机器人传感器技术的研究,除了不断改善传感器的精度、可靠性和降低成本等外,随着机器人技术转向微型化、智能化,以及应用领域从工业结构环境拓展至深海、空间和其他人类难以进入的非结构环境,使机器人传感器技术的研究与微电子机械系统、虚拟现实技术有更密切的联系。同时,对传感信息的高速处理、多传感器融合和完善的静、动态标定测试技术也将会成为机器人传感器研究及相关研究和发展的关键技术。尤其是对多传感器融合信息技术及其算法的改进将是机器人传感器研究的重中之重。在同一环境下,多个传感器感知的有关信息之间存在着内在的联系。如果对不同传感器采用单独孤立的应用方式,就会割断了信息之间的内在联系,丢失了信息有机组合可能蕴含的有关信息。因此,采用多传感器集成与信息融合的方法,合理选择、组织、分配和协调系统中的多传感器资源,并且对它们输出的信息进行融合处理,以便得到关于环境和目标对象的完整的和可靠的信息。
【参考文献】
[1]柳洪义,宋伟刚.机器人技术基础[M].北京:冶金工业出版社,2002.[2]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.[3]高国富,谢少荣等.机器人传感器及其应用[M].北京:化学工业出版社,工业装备与信息工程出版中心,2005.
二
○一一年第三期256
范文二:MEMS传感器及其应用
MEMS 传感器及其应用
科 目:先进制造技术 教 师:周忆(教授) 姓 名:学 号:
专 业:机械设计及理论 类 别:学术 上课时间:
考 生 成 绩:
阅卷评语:
阅卷教师 (签名
MEMS 传感器及其应用
张雷
(机械传动实验室)
摘要 :和传统的传感器相比,微型传感器具有许多新特性,它们能够弥补传统传感器的不足, 具有广泛的应用前景,越来越受到重视。文中简单介绍了一些微型传感器件的结构和原理及其应用 情况。
关键词 : MEM压力传感器; MEM 加速度传感器;应用
1 引言
微机电系统(Microelectro Mechanical Systems,MEMS )是在微电子技术基础上发 展起来的多学科交叉的前沿研究领域。 经过几十年的发展, 已成为世界瞩目的重大科技 领域之一。 它涉及电子、 机械、 材料、 物理学、 化学、 生物学、 医学等多种学科与技术, 具有广阔的应用前景。目前,全世界有大约 600余家单位从事 MEMS 的研制和生产工 作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在 内的几百种产品, 其中微传感器占相当大的比例。 微传感器是采用微电子和微机械加工 技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、 功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量 级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 本文概述国内外 目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、 工作原理、 性能和发展 方向。
2 MEMS传感器的特点及分类
2.1MEMS 传感器特点
MEMS 传感器是利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的 机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上的传感器。 MEMS 是微电子机械系统的缩 写,一般简称微机电。如图 1所示,主要由微型机光电敏感器和微型信号处理器组成。 前者功能与传统传感器相同,区别是用 MEMS 工艺实现传统传感器的机光电元器件。后 者功能是对敏感元件输出的数据进行各种处理, 以补偿和校正敏感元件特性不理想和影 量引入的失真,进而恢复真实的被测量。
图 1 MEMS传感器原理图
MEMS 传感器主要用于控制系统。利用 MEMS 技术工艺将 MEMS 传感器、 MEMS 执 行器和 MEMS 控制处理器都集中在一个芯片上, 则所构成的系统称为 MEMS 芯片控制系 统。图 15表示了 MEMS 控制系统。微控制处理器的主要功能包括 A /D 和 D /A 转换,数 据处理和执行控制算法。 微执行器将电信号转换成非电量, 使被控对象产生平动、 转动、 声、 光、 热等动作。 系统接口单元便于高层的管理处理器通信, 以适合远程分布测控 [4]。
图 2 MEMS控制系统原理图
2.2MEMS 传感器分类
微型传感器是 MEMS 的一个重要组成部分。 1962年第一个硅微型威力传感器问世, 开创了 MEMS 的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有:压力、力、力 矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、 pH 值、离子浓 度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发 展。本文简介压力传感器和加速度计。
(1)压力传感器
MEMS 压力传感器一般采用压阻力敏原理, 即被测压力作用于敏感元件引起电阻变 化。利用恒流源或惠斯顿电桥将电阻变化转化成电压。这种传感器用单晶硅作基片,用 技术在基片上生成力敏薄膜,然后在膜上扩散杂质形成 4只应变电阻,再将应变电阻连 接成惠斯顿电桥电路,以获得较高的压力灵敏度,其输出大多为 0~5 V模拟量。一枚晶 片可同时制作多个力敏芯片,易于批量生产。力敏芯片性能受温度影响,采用调理电路 补偿 [2]。
(2)加速度计
MEMS 加速度传感器基于牛顿第二定律。敏感元件通常由一个平行的悬臂梁构成, 梁的一端固定在边框架上,另一端固定一个小质量物体块。无加速度 a 时,质量块不运 动, 而当有垂直加速度时, 质量块运动, 对加速度口敏感的力, 导致悬臂梁活动端位移。
敏感元件的结构主要有悬臂梁式和梳齿状折叠梁式。 前者结构简单, 采用各向异性体硅 材料,用半导体平面工艺,各向异性腐蚀和静电封装制作。后者可看作是悬臂梁的并、 串联组合,结构设计复杂,采用各向同性的多晶硅材料,用表面牺牲层技术制作 [3]。
3 MEMS传感器的应用
MEMS 传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易批产、成本低、可测量 各种物理量、 化学量和生物量等优势, 在航天、 航空、 航海、 兵器、 机械、 化工等领域, 尤其是汽车工业获得较广泛应用,且国外已形成 MEMS 产业。
(1)在军事中的应用
作为一个在海上应用的实例 ,MEMS 引信 /保险和引爆 F/SA 装置已成功地用于潜 艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆装置的工作包括 3个独立步骤 :发射鱼雷后,解除 炸药保险、引爆、引信和防止在不正确时间爆炸保险 。
陆地上的应用包括灵活且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用 MEMS 惯性制导 系统的武器平台。 MEMS 轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。分布 式战场微型传感器网络系统是可以准确地探测与查明敌人的作战部署与军队调动的新 型探测装置,这种微型机电系统在布设、耐久和易损性等方面有明显的优点。
在空中应用方面, MEMS 压力传感器已在 F-14战斗机弹射座的助推火箭上进行了 测试。 喷射式涡轮发动机使用的适于在恶劣环境下工作的材料, 被用于各种监视该类发 动机内部动力学特性的传感器上。
(2)生物医疗和生物医学方面的应用
微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。 例如 :将微型传感器用口服或皮下注 射法送入人体 , 就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入 人体,可刮去导致心脏病的油脂沉积物 , 除去体内的胆固醇,可探测和清除人体内的癌 细胞 , 进行视网膜开刀时,大夫可将遥控机器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、 精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。 MEMS 的微小 可进入很小的器官 和组织 和智能 能自动地进行细微精确的操作 的特点 , 可大大提高介入治疗的精度, 直 接进入相应病变地进行工作 , 降低手术风险。同时,可进行基因分析和遗传诊断 , 利用 微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操 作生物细胞和生物大分子。所以 , 微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最
后征服各种绝症延长寿命带来了希望。
(3)手机中的传感器
1)影像传感器 简单说就是相机镜头,由于只牵涉到微光学与微电子,没有机械 成份在里头,即便加入马达、机械驱动的镜头,这类的机械零件也过大,不到 [微 ]的地步,所以此属于光电半导体,属于光学、光电传感器。
2)亮度传感器 外界并不清楚手机用何种方式感应环境光亮度,而最简单的实现 方式是用一个光敏电阻, 或者, 直接用影像传感器充当亮度侦测, 也是可行。 无论如此, 此亦不带机械成份,属于光电类传感器,甚至可能不是微型的,只是一般光学、光电传 感器。
3)磁阻传感器 简单讲就是感测地磁,这样讲还是太学名,感应地磁就是指南针 原理,将这种地磁感应电子化、数字化,就称为数字指南针(DigitalCompass )。老实 说,数字指南针技术比较偏玩具性,因为用来感测地磁的磁阻传感器,很容易受环境影 响(如高压电塔旁、马达旁),必须时时校正才有用 [4]。
4 结语
当前 ,MEMS 技术正处于高速发展前夕, 21世纪会展现一个大发展的局面,它的广 泛应用和效益将强有力地显示出来, 它对信息、 航空、 航天、 自动控制、 医学、 生物学、 力学、热学、光学、近代物理和工程学等诸领域发展的影响将是深远的,人类的生产和 生活方式也会因此而发生重大改变。
参考文献
[1] 黄俊钦 , 樊尚春等 .MEMS 传感器 [J].航空计测技术 ,2004,23(2):7-9.
[2] 肖麟芬 .MEMS 压力传感器 [J]今日电子 2011,12(1):3-6.
[3] 张海涛 , 阎贵平 . MEMS 加速度传感器的原理及分析 [J].电子工艺技术 2003,11(4):7-11.
[4] 石庚辰 .MEMS 传感器及应用 [J].测控技术 ,2003,22(3):5-8.
范文三:MEMS传感器及其应用
MEMS传感器及其应用
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黄 道
黄 钰 葭
周 彦 祺
余 莉 莉
王 春 柱
张 晓 雯
滕 风 辉
黄 夏 静
池 明 敏
徐 敏 敏
目录
1 引言 2.MEMS的发展历史 3.什么是MEMS传感器 4.MEMS传感器的特点 5.MEMS传感器的研究内容 6.MEMS在各个领域的应用 7.MEMS相关公司介绍 8.MEMS的封装
MEMS的发展历史
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MEMS第一轮商业化浪潮始于 20世纪70年代末80年代初,当时用大型 蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压 力下变形,会影响其表面的压敏电阻 曲线,这种变化可以把压力转换 成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计,用于触发汽 车安全气囊和定位陀螺仪。 第二轮商业化出现于 20世纪90年代,主要围绕着 PC和信息技术的 兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪,而热式喷墨打 印头现在仍然大行其道。 第三轮商业化可以说出现于世纪之交,微光学器件通过全光开关 及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条,但微光学 器件从长期看来将是 MEMS一个增长强劲的领域。 目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展,其开始向工业、 医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一 些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针,以 及所谓的'片上实验室 '生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态 和移动器件。
引言
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传感器种类多样,因此根据用途、原理都 有特定的分类。例如 霍尔传感器、温度传 感器、压力传感器等等。而传感技术在近 年来也得到了长足的发展,MEMS 就是最 具代表性的例子,MEMS技术让我们能够在 有限的空间内最大限度地发挥传感器的功 能,广泛用于多种场合。 那么什么是MEMS呢?
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什么是MEMS传感器??
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微机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)是将微电子技术与机械 工程融合到一起的一种工业技术,它的操 作范围在微米范围内。比它更小的,在纳 米范围的类似的技术被称为纳机电系统。 MEMS(微机电系统)是指集微型传感器、 执行器以及信号处理和控制电路、接口电 路、通信和电源于一体的微型机电系统。
MEMS特点
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微型化 智能化 多功能 高集成度 适于大批量生产
MEMS研究内容
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MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集 成化来探索具有新原理、新功能的元件和 系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉 的前沿性研究领域,几乎涉及到自然及工 程科学的所有领域,如电子技术、机械技 术、物理学、化学、生物医
学、材料科学、 能源科学等。其研究内容一般可以归纳为 以下三个基本方面:
一、MEMS理论基础
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在当前MEMS所能达到的尺度下,宏观世界基本 的物理规律仍然起作用,但由于尺寸缩小带来的 影响(Scaling Effects),许多物理现象与宏观世 界有很大区别,因此许多原来的理论基础都会发 生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、 微观摩擦机理等,因此有必要对微动力学、微流 体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构 学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重 视,但难度较大,往往需要多学科的学者进行基 础研究。
二、MEMS技术基础
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MEMS的技术基础可以分为以下几个方面: (1)设计与仿真技术; (2)材料与加工技术; (3)封装与装配技术; (4)测量与测试技术; (5)集成与系统技术等
三、MEMS应用研究
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人们不仅要开发各种制造MEMS的技术,更重要 的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、 生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器 等应用领域相结合,制作出符合各领域要求的微 传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。 MEMS还用于大量声波双工器 (BulkAcousticWaveduplexer)与滤波器、麦克风、 MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微 微型投影仪,甚至MEMS陀螺仪。
MEMS压力传感器原理
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目前的MEMS压力传感器有硅压阻 式压力传感器和硅电容式压力传感 器,两者都是在硅片上生成的微机 电传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高 精密半导体电阻应变片组成惠斯顿 电桥作为力电变换测量电路的,具 有较高的测量精度、较低的功耗, 极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式 传感器,如无压力变化,其输出为 零,几乎不耗电。其电原理如图1 所示。硅压阻式压力传感器其应变 片电桥的光刻版本如图2。
MEMS压力传感器
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MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子:如 TPMS(轮胎压力监测系统)、发动机机油压力传 感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动 机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨 压力传感器;消费电子,如胎压计、血压计、橱用 秤、健康秤,洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、 烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、 洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工 业电子,如数字压力表、数字流量表、工业配料 称重等。
典型的MEMS压力传感器
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典型的MEMS压力传感器管芯(die)结构和电原理如 图7所示,左是电原理图,即由电阻应变片组成的惠斯顿 电桥,右是管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管 芯可以用来生产各种压力传感器产品
,如图8所示。 MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装 在一个封装内(MCM),使产品设计师很容易使用这个 高度集成的产品设计最终产品。
在军事中的应用
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作为一个在海上应用的实例 ,MEMS引信 /保险和引爆F/SA 装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆 装置的工作包括 3个独立步骤:发射鱼雷后 ,解除炸药保险、 引爆 引信 和防止在不正确时间爆炸保险 。 陆地上的应用包括灵活且坚固的爆破装置、发射装置和其他 使用 MEMS惯性制导系统的武器平台。MEMS轮胎压力传 感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。分布式战场微 型传感器网络系统是可以准确地探测与查明敌人的作战部署 与军队调动的新型探测装置 ,这种微型机电系统在布设、耐 久和易损性等方面有明显的优点。 在空中应用方面 ,MEMS压力传感器已在 F-14战斗机弹射座 的助推火箭上进行了测试 。喷射式涡轮发动机使用的适于 在恶劣环境下工作的材料 ,被用于各种监视该类发动机内部 动力学特性的传感器上。
生物医疗和生物医学方面的应用
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微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微 型传感器用口服或皮下注射法送入人体 ,就可对体内的五脏 六腑进行直接有效的监测 。将特制的微型机器人送入人体 , 可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内的胆固醇 ,可探测 和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机 器人放入眼球内 ,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、 肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小 可进入很 小的器官和组织 和智能 能自动地进行细微精确的操作 的特 点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工 作 ,降低手术风险。同时 ,可进行基因分析和遗传诊断 ,利用 微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿 和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所 以 ,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大 ,为人类最后征 服各种绝症延长寿命带来了希望。
游戏机
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游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突出 代表,以具有革命性的任天堂Wii游戏机为 例,微型运动传感器能够捕捉到玩家任何 细微的动作,并将其转化成游戏动作。 MEMS技术让玩家动起来,玩家陶醉于真实 的游戏体验,通过不同的动作融入到游戏 中。例如,模仿一场真实的网球赛、一场 引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛 或轻松的钓鱼比赛的动作等(图3)。
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图3:MEMS使玩家动起来
图 4:MEMS运动控制式用户界面
MEMS加速计
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MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提 高,目前市场上
采用MEM加速计的手机越 来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面 变得更简单、更直观,通过手的动作就可 以操作界面功能,全面增强了用户的使用 体验。
基于MEMS的线性加速计
MEMS加速计
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根据终端设备的指向,MEMS传感器可以把图像、 视频和网页(无论是人物肖像还是风景画面)进行 旋转。通过上下左**斜手机,还可以查看手机 菜单;只要轻轻击打手机机身,就可以在屏幕上 选中不同的图标,所有这些智能功能离不开新一 代MEMS器件内嵌的先进数字技术。 有了MEMS加速计,只要把设备向某一方向倾 斜,就能在小屏幕上详细查看地图,显示放大的 图像。MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播 放器的动作,这个简单的手势可以让播放器跳到 下一首歌或返回到上一首歌。
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低功耗的MEMS运动传感器还可用作先进的节能技术,当 手机没有关闭放在饭桌上时,MEMS传感器将会把耗电大 的模块(如显示器背光板和GPS模块)全部关闭,以降低手 机和便携导航仪的能耗。只要碰触一下机身,又可以打开 全部功能。 同样地,无论何时,把手机正面向下反放在桌子上,手机 设置就会切换到静音模式;只要碰触一下机身,就可以关 闭静音功能。MEMS运动控制技术折射出了未来手机的样 子:只有数量很少的按键,不再有普通的键盘。向手机输 入信息时,用户在空中书写数字和字母,MEMS传感器识 别这些动作,手机软件将这些动作还原成数字和字母;软 件还可以把用户预定的动作变成特殊的自定义功能。
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MEMS加速计与陀螺仪配合使用,可以把更先进 的选择功能变为现实,例如:能够在空中操作的 三维鼠标和遥控器。在这些设备中,传感器检测 到用户的手势,将其转换成PC屏幕上的光标移动 或机顶盒和电视机的频道和功能选择。图5是一个 含有MEMS传感器的遥控器解决方案,MEMS传 感器组、两个陀螺仪和一个加速计检测手腕或鼠 标在空中的动作,同时微控制器执行动作跟踪和 手势识别功能。然后,重组的运动曲线通过无线 连接发送到机顶盒或PC机,无线链路可以采用红 外或射频,具体视应用要求而定。
7 MEMS 图7 在汽车领域,MEMS MEMS被用于导航和信息娱乐设备中
MEMS陀螺仪
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陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的 角速度,是补充MEMS加速计功能的理想技 术。事实上,如果组合使用加速计和陀螺 仪这两种传感器,系统设计人员就可以跟 踪并捕捉三维空间的完整运动,为最终用 户提供现场感更强的用户使用体验、精确 的导航系统以及其它功能。
陀螺仪
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在系统方面,陀螺仪的信号调节电路可简化为电 机驱动部分和加速传感
器感应电路两部分: - 电机驱动部分通过静电驱动方法,使机械元 件前后振荡,产生谐振; - 感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利 力在感应质点上产生的位移,这是一个稳健、可 靠的技术,被成功地用于ST的MEMS产品线,能 够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的 模拟或数字信号。
iPhone
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目前大多数手机都含有MEMS传感器实现重 力加速计和陀螺仪的功能,例如被用在 iPhone中。通过对旋转时运动的感知, iPhone可以自动地改变横竖屏显示,以便消 费者能够以合适的水平和垂直视角看到完 整的页面或者数字图片。 iPhone4到底用上了哪些传感器呢?
iPhone4中的传感器
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1)影像传感器 简单说就是相机镜头,由于只牵涉到微光学与微电子,没有机械 成份在里头,即便加入马达、机械驱动的镜头,这类的机械零件 也过大,不到「微」的地步,所以此属于光电半导体,属于光 学、 光电传感器。 2)亮度传感器
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外界并不清楚iPhone4用何种方式感应环境光亮度,而最简单的实现方式 是用一个光敏电阻,或者,iPhone4直接用影像传感器充当亮度侦测,也 是可行。无论如此,此亦不带机械成份,属于光电类传感器,甚至可能 不是微型的,只是一般光学、光电传感器。 简单讲就是感测地磁,这样讲还是太学名,感应地磁就是指南针原理, 将这种地磁感应电子化、数字化,就称为数字指南针( DigitalCompass)。 老实说,数字指南针技术比较偏玩具性,因为用来感测地磁的磁阻传感 器,很容易受环境影响(如高压电塔旁、马达旁),必须时时校正才有 用。
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3)磁阻传感器
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iPhone4中的传感器
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4)近接传感器
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近接传感器的实现技术非常多种,可以是红外线(例如便利商店 的自动门、公共厕所的自动冲水器),可以是超音波、雷射等。 同样的,Apple没讲,我们只能乱猜或尽可能网搜,不过,近接传 感器也没有迫切微型化的需要,不在热门 MEMS组件之列。 学名声波传感器,俗名麦克风。是的, iPhone4为了强化声音质 量,使用2组麦克风与相关运算来达到降噪(降低噪音)的效果, 这种技术称为数组麦克风( ArrayMIC),事实上早在 Apple实行之 前,2004年Wintel就已经在PC上提出过,差别是 Apple用于手机, Wintel用于PC。 麦克风需要微型化吗?是的,需要,相当需要,且使用一个以上 的麦克风,麦克风的体积缩小需求就更迫切,麦克风也牵涉到机 械(声波会使微型机械振动),并将机械振动转换成电子信号, 因此微型化的麦克风,是个不折不扣的 MEMS传感器。
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5)声波传感器
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iPhone4中的传感器
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6)加速度传
感器
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俗称加速规、G-Sensor,可以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器 的实现方式也是许多种,MEMS只是手法之一,用MEMS实现加速度传感 器确实是目前的趋势。 加速度传感器一般有「X、Y两轴」与「X、Y、Z三轴」两种,两轴多用 于车、船等平面移动为多,三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多 说,Wii遥控器也是用三轴,iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画 面,也是靠这个传感器。 更简单讲就是陀螺仪,陀螺仪实现技术有机械式与光学(红外线、雷射) 式,第六项的加速度传感器比较能感测平移性,但对于物体有个轴心, 进行角度性的移动,则其感应效果不如陀螺仪好,所以许多应用多半是 混何使用加速度传感器与陀螺仪,而今iPhone4也从善如流。不过, iPhone4也从善如流。不过, iPhone4确实是率先使用陀螺仪的手机。
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7)角加速度传感器
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说了这么多,真的称得上 MEMS传感器的,其实只有麦克风、加速度 传感器、陀螺仪三个,其他的传感器多是夸大延伸,不是不用微型 化,就是根本没用及机械技术。
MEMS的公司
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从全球看,MEMS产品是由一些美国和亚洲 公司开发的,包括意法半导体(ST)、og Devices公司(ADI)、惠普公司(HP)、 德州仪器公司(TI),以及Memsic公司。 下文将介绍各个制造商及其主要MEMS产品 的现况。
意法半导体公司
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意法半导体公司是最大的MEMS制造商之一,提供单轴和 多轴陀螺仪的广泛选择,各种满量程区间,适用于数位相 机和数位录像机的影像稳定,以及提高戏应用中的用户体 验。ST公司还提供3轴陀螺仪,能精确地测量沿三个正交 轴的角速度。另外,STM还用下一代微电机声学器件扩展 了自己的产品组合。创新的MEMS麦克风采用了Omron的 传感器技术,能够大幅地提高声音质量,有出色的可靠性、 健壮性,同时对现有/新兴音频应用都有很好的成本效 益,如手机、无线设备以及手持戏机等。关键是,MEMS 麦克风可以做得比最小的驻极体电容式麦克风(electrets condenser microphone)还要小,而对度变化、机械振动和 电磁干扰更不敏感。
ADI公司
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ADI公司同时提供类比与数位型的全向 MEMS麦克风。最近,ADI与英飞凌科技公 司商定共同发展下一代的汽车气囊安全系 统。这个ADI-英飞凌合作计划将确保两家 公司相应产品发展蓝图的协调一致,以及 各自传感器与芯片组的互通性。这个合作 也将加速先进气囊系统的发展,为安全系 统供应商和OEM商提供一个完整的设计平 台,从而实现一种可靠、具成本效益和易 于使用的先进气囊方案。
惠普公司
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惠普公司最近推出一种惯性探测技术 (
inertial sensing technology),能够用来开 发可当作高阶传感器使用的数位MEMS加速 度计。HP预计该技术将使芯片的灵敏度比 今天市场上的批量产品提高1000倍。这种 传感器是以该公司已率先商业应用在其打 印机墨盒的MEMS技术为基础。
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MEMS的封装 显然地,MEMS已在我们今天常生活中的各种应用中扎下 根基。其普及的主要动力来自于成本低与体积小,从而能 够做出更小、更轻和更廉价的最终产品。但在MEMS前方 并非一片光明。一项挑战是封装问题,因为MEMS器件的 多样性以及每个要暴露的不同环境。封装加上测试,很容 易就会将成本增加一倍。在不影响产品性能的情况下,研 究出标准化和更廉价的封装已成为MEMS设计的主要关注 MEMS设计的主要关注 目标。在今天的地球上,MEMS制造商投入了大量研发力 MEMS制造商投入了大量研发力 量,试图加强自己在封装制程中的地位,为各种新设备开 发新的专用封装。当前长足的进步与工程进展让我们对 MEMS或SoC有更新的理解。对设计工程师而言,这确实 MEMS或 SoC有更新的理解。对设计工程师而言,这确实 是富于挑战且令人兴奋的时代!
MEMS 传感器的封装
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封装曾是MEMS技术的难点。 传统的MEMS封装主要有金属封装、陶瓷封 装和塑料封装三种形式。随着MEMS封装技 术取得了很大进展,出现了众多的MEMS封 装技术,大多数研究都集中在特殊应用的 不同封装工艺,但又开发了一些较通用、 较完善的封装设计,通常可将其分为3个封 装层次:芯片级封装、圆片级封装、系统 级封装。
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从传感器的应用来说,有些 MEMS器件的封装必须能够和 环境进行相互影响。例如,在 压阻传感器内,封装应力就会 影响传感器的输出。当封装中 不同材料混合使用时,它们的 膨胀和收缩系数不同,因此, 这些变化引起的应力就附加在 传感器的压力值中。在光学 MEMS器件中,由于冲击、震 动或热膨胀等原因而产生的封 装应力会使光器件和光纤之间 的对准发生偏移。在高精度加 速度计和陀螺仪中,封装需要 和MEMS芯片隔离以优化性能 (见下图)。
结束语
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当前 ,MEMS技术正处于高速发展前夕 , 21 世纪会展现一个大发展的局面 ,它的广泛应 用和效益将强有力地显示出来 ,它对信息、 航空、航天、自动控制、医学、生物学、 力学、热学、光学、近代物理和工程学等 诸领域发展的影响将是深远的 ,人类的生产 和生活方式也会因此而发生重大改变
范文四:CCD传感器及其应用
一、引言
图像传感器是利用光电器件的光一电转换功能,将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。
固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”,它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”,即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出,形成一系列幅值不等的时序脉冲序列。
固态图像传感器与普通的图像传感器比,具有体积小、失真小、灵敏度高、抗振动、耐潮湿、成本低的特点。这些特色决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量,尤其是适用于图像识别技术中。本文从分析固态图像传感器的原理出发,着重对它在测控及图像识别领域进行分析和探讨。
二、电荷祸合器件及工作原理
电荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices,简称CCD),是固态图像传感器的敏感器件,与普通的MOS,TTL等电路一样,属于一种集成电路,但CCD具有光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。
电荷祸合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上,加以适当的脉冲电压,排斥掉半导体衬底内的多数载流子,形成“势阱”的运动,进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产生的,则CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的,则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。
电荷祸合器件CCD的基本原理与金属一氧化物一硅(MOS)电容器的物理机理密切相关。因此。首先分析MOS电容器原理。
图1是热氧化P型Si(p-Si)衬底上淀积金属而构成的一只MOS电容器,若在某一时刻给它的金属电极加上正向电压咋,p-Si中的多数载流子(此时是空穴)便会受到排斥,于是,在Si表面处就会形成一个耗尽区。这个耗尽区与普通的pn结一样,同样也是电离受主构成的空间电荷区。并且,在一定条件下,凡越大,耗尽层就越深。这时,Si表面吸收少数载流子(此时是电子)的势(即表面势V;)也就越大。显而易见,这时的MOS电容器所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。据此,恰好可以利用“表面势阱”(简称势阱)这一形象比喻来说明MOS电容器在V;(或说在玲)作用下存储(信号)电荷的能力。习惯上,把势阱想象作一个桶,把少数载流子(信号电荷)想象成盛在桶底上的流体。在分析固态器件时,常常取半导体衬底内的电位为零,所以,取表面势环的正值增方向朝下更方便(图1(b))。
图3 MOS电容器及其表面势阱概念
表面势V;是一个非常重要的物理量。在图1Ca)所示的情况下,若所加Vc不超过某限定值时,则表面势为:
上式是由半导体内电位分布的泊松方程求解得到的。因为Xa是受VG控制的,所以V;也是Vc的函数。
CD的电荷(少数载流子)的产生有两种方式:电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器,CCD接收的是光信号,即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片上时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子一空穴对。这时在栅极电压的作用下,多数载流子(空穴)将流入衬底,而少数载流子(电子)则被收集在势阱中,形成信号电荷存储起来。
这样高于半导体禁带宽度的那些光子,就能建立起正比于光强的存储电荷。
由许多个MOS电容器排列而成的CCD,在光像照射下产生光生载流子的信号电荷,再使其具备转移信号电荷的自扫描功能,即构成固态图像传感器。
图2是光导摄像管与固态图像传感器的基本原理比较。图2ta)中,当入射光像信号照射到摄像管中间电极表面时,其上将产生与各点照射光量成比例的电位分布,若用电子束扫描中间电极,负载Rl上会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化,这恰是所需的输出电信号。所用电子束的偏转或集束,是由磁场或电场控制实现的。
图2 光导摄像管与固态图像传感器的基本原理比较
图2(b)所示的固态图像传感器的输出信号的产生,不需外加扫描电子束,它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而获得。这样的输出电信号与其相应的像素的位置对应,无疑是更准确些,且再生图像失真度极小。显然,光导摄像管等图像传感器,由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化等原因所引起的再生图像的失真,往往是很难避免的。
失真度极小的固态图像传感器,非常适合测试技术及图像识别技术。此外,固态图像传感器与摄像管比,还有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点,并且固态图像传感器的成本也较低。
三、固态传感器分类、结构及特性
从使用观点,可将固态图像传感器分为线型和面型固态图像传感器两类。根据所用的敏感器件不同,又可分为CCD,MOS线型传感器以及CCD,MOS面型传感器等线型固态图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面,面型固态图像传感器的发展方向主要用作磁带录像的小型照相机。本文主要介绍工程测试中常用到的线型固态图像传感器结构。
图3所示为线型固态图像传感器的结构。其感光部是光敏二极管线阵列,1728个PD作为感光像素位于传感器中央,两侧设置CCD转换寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇数号位的PD的信号电荷移往下侧的转移寄存器;偶数号位则移往上侧的转移寄存器。以另外的信号驱动CCD转移寄存器,把信电荷经公共输出端,从光敏二极管PD上依次读出。
图3 线型固态图像传感器的结构
图4 高灵敏度线性传感器截面构造
通常把感光部分的光敏二极管作成MOS形式,电极用多晶硅,多晶硅薄膜虽能透过光像。但是,它对蓝色光却有强烈的吸收作用,特别以荧光灯作光源应用时,传感器的蓝光波谱响应将变得极差。为了改善一情况,可在多晶硅电极上开设光窗。由于这种构造的传感器的光生信号电荷是在MOS电容器内生成、积蓄的,所以容量加大,动态范围也因此而大为扩展。图5是它的光谱响应特性。图中虚线表示只用多晶硅电极而未开设光窗的CCD的传感器特性;实线表示开设光窗形成的PD,信号电荷在MOS容器内积蓄的CCD传感器特性,显然,后者的蓝色光谱响应特性得到明显提高和改善,故称后者为高灵敏度线型固态图像传感器。
图5 高灵敏度传感器
固态图像传感器主要特性有:
①.调制传递函数MTF特性:固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管己做得很小,并且其间隔也很微小,但是,这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。
②.输出饱和特性:当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时,传感器的输出电压将出现饱和,这种现象称为输出饱和特性。产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致。
③.暗输出特性:暗输出又称无照输出,系指无光像信号照射时,传感器仍有微小输出的特性,输出来源于暗〔无照)电流。
④.灵敏度:单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度,它主要与固态图像传感器的像元大小有关。
⑥.弥散:饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷,这时,过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。这样,再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度,这种情况称为弥散现象。
⑥.残像:对某像素扫描并读出其信号电荷之后,下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像。
范文五:传感器及其应用
传感器的简单应用
【基础知识梳理】
1.传感器的含义:传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等________量,
并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量,或转换为电路的通断。把非电
学量转换为电学量以后,就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。传感器一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成,通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号,通过输出部分输出,然后经控制器分析处理。
非电物理
→敏感元件
→
转换器件
→
转换电路
→
电学量
常见的传感器有:光学传感器、热学传感器、加速度传感器、力传感器、气敏传感器、超声波传感器、磁敏传感器等。
2.常见的传感器元件:
⑴ 光敏电阻:光敏电阻的材料是一种半导体,无光照时,载流子极少,导电性能_______;
随着光照的增强,载流子增多,导电性能_______,即光敏电阻的阻值随光照增强而______。光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛,可以看到光线的强弱。
⑵ 金属热电阻金属热电阻的电阻率随温度的升高而________,
用金属丝可以制作温度传感
器。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
⑶ 热敏电阻:用半导体材料制成,其电阻随温度变化明显,温度升高电
阻_________,如图为某一热敏电阻-温度特性曲线。热敏电阻的灵敏度较好。与热敏电阻相比,金属热电阻的化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差。 0 T
⑷ 电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。 ⑸ 霍尔元件能够把磁感强度这个磁学量转换为电压这个电学量
3.传感器的简单应用
⑴ 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。
⑵ 热电传感器(温度传感器):它能用把温度这个热学量转换为电压这个电学量。如各种
家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 ⑶ 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。自动冲水机、路灯的控制、
鼠标器、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。
⑷ 磁电传感器 —— 霍尔元件的应用:霍尔元件能够把磁感强度(磁学量)转换为电压(电
学量)。霍尔元件:如图所示,在一个很小的矩形半导体薄片上,制作四个电极C、D、
E、F,就制成为一个霍尔元件。霍尔电压:UH = kIB/d,其中k为比例系数,称为霍尔
系数,其大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值,再保持I恒定,则电压UH的变化就与B成正比,因此,霍尔元件又称磁敏元件。霍尔效应的原理:外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力,在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向的电场;横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力,当静电力与洛仑兹力达到平衡时,导体板两侧会形成稳定的电压。 设图中CD方向长度为L2,则有:______ = qvB
根据电流的微观解释:I =_________,整理后,得: UH = ____________,令 k=
1nq
,因为n为材料单位体积
的带电粒子个数,q为单个带电粒子的电荷量,它们均为常数,所以有:U
H
=k
IBd
。
〖例题〗如图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R1时,信号处理系统获得高电压 B.当有光照射R1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计数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 【热点题型探究】
〖例1〗热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下
的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约4 ~5Ω。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其它备用的仪表和器具有:盛有热水的热水瓶(图中未画出)、电源(3V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1Ω)、直流电压表(内阻约5KΩ)、滑动变阻器(0~20Ω)、开关导线若干。
⑴ 在方框画出实验电路图,要求测量误差尽可能小。 ⑵ 根据电路图,将实物用线连接起来。
⑶ 简要写出完成接线后的主要实验步骤__________________________.
〖例2〗如图所示是测量通电螺线管A内部磁感应强度B及其与电流I关系的实验装置。
将截面积为S、匝数为N的小试测线圈P置于螺线管A中间,试测线圈平面与螺线管
的轴线垂直,可认为穿过该试测线圈的磁场均匀。将试测线圈引线的两端与冲击电流计D相连。拨动双刀双掷换向开关K,改变通入螺线管的电流方向,而不改变电流大小,在P中产生的感应电流引起D的指针偏转。
⑴ 将开关合到位置1,待螺线管A中的电流稳定后,再将K从位置1拨到位置2,测得D
的最大偏转距离为dm,已知冲击电流计的磁通灵敏度为Dφ, Dφ = dm/(NΔφ),式中Δφ
为单匝试测线圈磁通量的变化量。则试测线圈所在
处磁感应强度B = ___________;若将开关从位置1拨到位置2的过程所用的时间为Δt,则试测线圈P中产生的平均感应电动势E = ________________。 ⑵ 调节可变电阻R,多次改变电流并拨动K,得到A
中电流I和磁感应强度B的数据,见右表。由此可得,螺线管A内部在感应强度B和电流I的关系为
B = _______________________。
⑶(多选题)为了减小实验误差,提高测量的准确性,可采取
的措施有
A.适当增加试测线圈的匝数N
B.适当增大试测线圈的横截面积S
C.适当增大可变电阻R的阻值 D.适当拨长拨动开关的时间Δt
〖例3〗演示位移传感器的工作原理如下图所示,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 金属棒
D.物体M不动时,电压表没有示数
〖例4〗传感器是把非电学量(如高度、温度、压力等)的
变化转换成电学量变化的一种元件,它在自动控制中有着广泛的应用.如图是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图.金属棒与导电液体构成一个电容器,将金属棒和导电液体分别与直流电源的两极相连接,从电容C和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,即 ( ) A.电源接通后,电容C减小,反映h减小
B.电源接通后,电容C减小,反映h增大
C.电源接通再断开后,电压U减小,反映h减小
D.电源接通再断开后,电压U减小,反映h增大
〖例5〗用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过
程。下列属于这类传感器的是 ( ) A.红外报警装置 B.走廊照明灯的声控开关
C.自动洗衣机中的压力传感装置 D.电饭煲中控制加热和保温的温控器 【基础练习】
1.吉他以其独特的魅力吸引了众多音乐爱好者,电吉他与普通吉他不同的地方是它的每一根琴弦下面安装了一种叫做“拾音器”的装置,能将琴弦的振动转化为电信号,电信号经扩音器放大,再经过扬声器就能播出优美音乐声。如图是拾音器的结构示意图,多匝线圈置于永久磁铁与钢制
的琴弦(电吉他不能使用尼龙弦)之间,当弦沿着线圈振动时,线圈中就会产生感应电流。关于感应电流,以下说法正确的是 ( ) A.琴弦振动时,线圈中产生的感应电流是恒定的
B.琴弦振动时,线圈中产生的感应电流大小变化,方向不变 C.琴弦振动时,线圈中产生的感应电流大小不变。方向变化
D.琴弦振动时,线圈中产生的感应电流大小和方向都会发生变化
2.下列说法中正确的是 ( )
A.机械式鼠标器中光传感器就是两个红外接收管,它的作用就是光信号(红外线脉
冲)转换成电信号(电脉冲)
B.机械式鼠标器中光传感器是由两个滚轴,两个码盘,两个红外线发射管(LED)
和两个红外接收管组成的 C.火灾报警器中光传感器是光电三极管,它的作用也是把光信号转换成电信号 D.火灾报警器是利用烟雾对光的散射作用来工作的 3.如图是一种风速仪示意图,试回答下列问题:
⑴ 有水平风吹来时磁体如何转动?(自上往下看) 。 ⑵ 为什么能用它测定风速大小? 。 _____________________________________________________
______________________________________________________
_________________________________________________________________________。 4.现代汽车在制动时,有一种ABS系统,它能阻止制动时车轮抱死变为纯滑动。这种滑
动不但制动效果不好,而且易使车辆失去控制。为此需要一种测定车轮是否还在转动的装置。如果检测出车轮不再转动,就会自动放松制动机构,让轮子仍保持缓慢转动状态。这种检测装置称为电磁脉冲传感器,如图甲,B是一根永久磁铁,外面绕有线圈,它的左端靠近一个铁质齿轮,齿轮与转动的车轮是同步的。图乙是车轮转动时输
出电流随时间变化的图象。 ⑴ 说明为什么有电流输出?
⑵ 若车轮转速减慢了,图象会变成怎样?(画在图乙上)
5.唱卡拉OK用的话筒,内有传感器。其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜
片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是 ( ) A.该传感器是根据电流的磁效应工作的 B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势
6.用计算机辅助实验系统(DIS)做验证牛顿第三定律的实验,
如图所示是把两个测力探头的挂钩钩在一起,向相反方向拉
动,观察显示器屏幕上出现的结果。观察分析两个力传感器
的相互作用随着时间变化的曲线,以下结论错误的是 ( ) A.作用力与反作用力作用在同一物体上 B.作用力与反作用力同时存在,同时消失 C.作用力与反作用力大小相等 D.作用力与反作用力方向相反 7.利用传感器和计算机可以测量快速变化的力的瞬时值,如图
所示是用这种方法获得的弹性细绳中拉力 F 随时间t变化的图线.实验时,把小球举到悬点O处,然后放手让小球
自由落下,由图线所提供的信息可以判断 ( )
A.绳子的自然长度为gt2
1/2 B.t2时刻小球的速度最大
C.t1时刻小球处在最低点 D.t1时刻到t2时刻小球的速度先增大后减小
8.下列说法正确的是 ( ) A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声信号
B.楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮,说明它的控制电路中只有声传感器
C.电子秤所使用的测力装置能将受到的压力大小的信息转化为电信号
D.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
9.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动
状态的装置,其工作原理如图(a)所示.将压敏电阻
和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重
球.小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图(b)
所示.下列判断正确的是 ( ) A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内,小车做加速度变大的直线运动 C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动 D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
10.下列说法正确的是 ( )
A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电信号
B.楼道里的灯只有天黑时出现声音才亮,说明它的控制电路中只有声传感器 C.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量 D.电子秤所使用的测力装置是温度传感器 【能力训练】
1.如图所示为实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意
图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在小车上,C为小车的车轮.车轮转动时,A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B接收并转换成电信号,由
电路记录和显示.若实验显示单位时间的脉冲数n,累积脉冲数为N,则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是_________________________________________;小车速度的表达式为v = _____________;行程的表达式为s = ________________. 2.现有热敏电阻、电路丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和若干导线.如图所示,
试设计一个控温电路.要求温度低于某一温度时,电路丝自动通电供热,超过某一温度时,又自动断电,画出电路图说明工作原理。
3 . 图为某一热敏电阻 变,且对温度很敏感)的 (电阻值随温度的改变而改
I-U关系曲线图。
⑴ 为了通过测量得到图示I-U关系的完整曲
线,在图(a)和图(b)两个电路中应选择
的是图______;简要说明理由:
(电
源电动势为9 V,内阻不计,滑线变阻器的阻
值为0-100Ω)。
⑵ 图(c)电路中,电源电压恒为9 V,电流表读数为70 mA,定值电阻R1=250Ω,由热
敏电阻的I-U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为___________V;电阻R2的阻值
为____________Ω.
⑶ 举出一个可以应用热敏电阻的例子: 。
4.如图是电熨斗的结构图,下列说法正确的是 ( ) A.双金属片上层金属的膨胀系数小于下层金属 B.常温下,上下触点接触;温度过高时,双金属片发生弯曲使上下触点分离
C.需要较高温度熨烫时,要调节调温旋钮,使升降螺丝下移并推动弹性铜片下移
D.双金属片温度传感器的作用是控制电路的通断 5. 氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度
的检测,它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化.在如图甲所示的电路中,不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电R
阻, 这样,电压表的指针位R置就与一氧化碳浓度有了对应
关系,观察电压表指针就能判
甲
乙
CO浓度
断一氧化碳浓度是否超标.有一种氧化锡传感器,其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)一CO浓度曲线,如图乙所示.在下列表示一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系的图象中正确的是( )
A
U0
U0
U0
U0
B C D
6.有一种测量人体重的电子秤,其原理图如图中的虚线所示,它主要由三部分构成:踏板
和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻器)、显示体重的仪表G(其实质是电流表)。其中AO:BO=5:1。已知压力传感器的电阻与其所受
⑴ 利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式;
⑵ 该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处? ⑶ 如果某人站在踏板上,电流表刻度盘示数为20mA,这个人的体重是多少?
7.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小。某实验小组在升降机水平地面上利用压敏电阻设计了判断升降
机运动状态的装置。其工作
原理图如图所示,将压敏电
阻、定值电阻R、电流显示器、电源E连成电路,在压敏电阻上放置一个绝缘重物。0~t1时间内升降机停在某一楼层处,t1时刻升降机开始运动,从电流显示器中得到电路中
电流i随时间t变化情况如图所示。则下列判断正确的是 ( ) A.t1 ~ t2时间内绝缘重物处于超重状态 B.t3 ~ t3时间内绝缘重物处于失重状态
C.升降机开始时可能停在10楼,从 t1时刻开始,经向下加速、匀速、减速,最后停
在1楼 D.升降机开始时可能停在1楼,从 t1
时刻开始,
经向上加速、匀速、减速,最后停在
10
楼
8.将如图所示装置安装在沿直轨道运动的火车车厢中,使杆沿轨道方向固定,就可以对火车运动的加速度进行检测。闭合开关S,当系统静止时,穿在
光滑绝缘杆上的小球停在O点,固定在小球上的变阻器滑片停在变阻器BC的正中央,此时,电压
表指针指在表盘刻度中央。当火车在水平方向有加速度时,小球在光滑绝缘杆上移动,
滑片P随之在变阻器上移动,电压表指针发生偏转。已知,当火车向左加速运动时,电压表的指针向右偏。则
(
)
A.电压表指针向左偏,说明火车可能在向右做加速运动 B.电压表指针向右偏,说明火车可能在向右做加速运动 C.电压表指针向左偏,说明火车可能在向右做减速运动 D.电压表指针向左偏,说明火车可能在向左做加速运动
9.角速度计可测量飞机、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O
′
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,则( ) A.电路中电流随角速度的增大而增大
B.电路中电流随角速度的减小而减小 C.弹簧的伸长量为x=mωl/(k–mω2)
D.输出电压U与ω的函数式为 U= Emω2/(k–mω2)
10.2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家,以表彰他们发现“巨磁电
阻效应”.基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术,被认为是纳米技术的第一次真正应用.在下列有关其它电阻应用的说法中.错误的是 ( ) A.热敏电阻可应用于温度测控装置中 B.光敏电阻是一种光电传感器
C.电阻丝可应用于电热设备中
D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用 11.图示是某同学设计的电容式速度传感器原理图,
其中上板为固定极板,下板为待测物体,在两极
板间电压恒定的条件下,极板上所带电量Q将随待测物体的上下运动而变化,若Q随时间t的变化关系为 Q = b/(a + t)(a、b为大于零的常数),其图象如图所示。那么图中反映极板间场强大小E的是 __________;反映物体速率v随t变化的图线可能是___________。
12.图示装置可以用来测量硬弹簧(即劲度系数较大的弹簧)的
劲度系数k。电源的电动势为E,内阻可忽略不计:滑动变阻器全长为l,重力加速度为g,V○为理想电压表。当木板上没有
放重物时,滑动变阻器的触头位于图中a点,此时电压表示数
为零。在木板上放置质量为m的重物,滑动变阻器的触头随木板一起下移。由电压表的示数U及其它给定条件,可计算出弹簧的劲度系数k。 ⑴ 写出m、U与k之间所满足的关系式。
⑵ 已知E
2① 数据描出m-U直线。
② m-U直线的斜率为 kg/V。 ③ 弹簧的劲度系数k=
N/m。(保留3位有效数字)
【综合练习】
1.如图所示是工业生产中大部分光电控制设备用到的
光控继电器的示意图,它是由电源、光电管(A、K)、放大器、电磁继电器(MN)等几个部分组成,当用绿光照射光电管的阴极K时,可以发生光电效应,则下列说法中正确的是() A.图中a端为电源的正极
B.放大器的作用是将光电管中产生的电流放大后,使铁芯M磁化,将衔铁N吸住 C.若增大绿光的照射强度,光电子最大初动能增大
D.改用蓝光照射光电管的阴极K时,电路中仍有光电流
2.随着生活质量的提高,自动干手机已经进入家庭.洗手后,将湿手靠近自动干手机,机内的传感器便驱动电热器加热,有热空气从机内喷出,将湿手烘干,手靠近自动干手机能使传感器工作,是因为 ( ) A.改变了湿度 B.改变了温度 C.改变了磁场 D.改变了电容
3.传感器是一种采集信息的重要器件,图是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路,当待测压力为F作用于可动膜片电极上时,以下说法中正确的 ( ) A.若F向上压膜片电极,电路中有从a和b的电流 B.若F向上压膜片电极,电路中有从b和a的电流 C.若F向上压膜片电极,电路中不会出现电流 D.若电流表有示数,则说明压力F发生变化
4.如图所示是一种测定导电液体深度的装置;包着一层电介质的金属
棒与导电液体形成一个电容器,电容量的变化能反映液面的升降情
况,则下列叙述中正确的是( ) A.电容增大反映h增大 B.电容增大反映h减少
C.将金属棒间的电压和导电液体分别接电源两极再断开后,液体深度变化时导电液与金属棒间的电压增大反映h减小 D.将金属棒和导电液体分别接电源两极再断开后,液体深度变化时导电液与金属棒间的电压增大反映h增大
5.计算机光驱的主要部分是激光头,它可以发射脉冲激光信号,激光扫描光盘信息时,激
光头利用光敏电阻自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统,再通过计算机显示出相应信息.光敏电阻自动计数器的示意图如图所示,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R1时,处理系统获得高电压 B.当有光照射R2时,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计数一次 D.信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
6.如图是一火警报警装置的一部分电路示意图,其中R2为用半导
体热敏材料制成的传感器,电流表为值班室的显示器,a,b之间接报警器.当传感R2所在处出现火情时,显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是 ( ) A.I变大,U变小 B.I变小,U变小
C.I变小,U变大 D.I变大,U变小
7.如图所示,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感强度为B的均匀磁场中,
当电流通过导体板时,在导体板的上侧面A和下侧面A′ 之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应,实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关系为U = kIB/d,式中比例系数k称为霍尔系数.霍尔效应可解释如下:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧会出现多余的正电荷,从而形成横向电场.横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力,当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差.设电流I是由电子的定向流动形成的,电子的平均定向速度为v,电量为e,回答下列问题: ⑴ 达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势_____下侧面A′
的电势(填高于、低于或等于).
⑵ 电子所受的洛伦兹力的大小为__________________.
⑶ 当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所受静电力的大小为______________. ⑷ 当静电力和洛伦兹力平衡的条件,证明霍尔系统为k = 1/ne,其中n代表导体板单位体
积中电子的个数.
8.某学生为了测量一物体的质量,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一物体,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、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。
⑴ 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,在方框中画出完整的测量电路图。
⑵ 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。 ⑶ 请设想实验中可能会出现的一个问题。
9.生活中,经常用到用光控制电路的情况.例如路灯的控制开关,傍晚时等光暗到一定程度,路灯会自动点亮,清晨时光亮到一定程度,路灯自动熄灭.下面是光敏电阻、两个电源、带放大器(放大器内有电源,图中没有表示出来)的断电器和灯的示意图.继电器的线圈A绕在软铁芯上,并且跟放大器的输出端c、d相连,a、b是放大器的作用是:当输入端回路中电流发生较小变化时,输出端回路中电流发生较大的变化.当线圈A产生的磁场足够强时,就会克服弹簧K的弹力将衔铁c吸下,触头D断开、触头B接通;当输入端回路中电流变化较小时,线圈A产生的磁场不足以吸住衔铁C,则触头B断开、触头D接通.
⑴ 连接实物图,使得光强时灯灭,光弱时灯亮. ⑵ 简要说明此电路的工作原理.
10.图(甲)是某研究性学习小组自制的电子秤原理图,利用电压表的示数来指示物体的
质量.托盘与电阻可忽略的弹簧相连,托盘与弹簧的质量均不计.滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接,当盘中没有放物体时,电压表示数为零.设变阻器总电阻为R,总长度为L,电源电动势为E,内阻为r,限流电阻阻值为R0,弹簧劲度系数为k,若不计一切摩擦和其他阻力.
⑴ 试推出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式.
⑵ 由(1)计算结果可知,电压表示数与待测物体质量不成正比,
不便于进行刻度,为了使电压表示数与待测质量成正比,请你
利用原有器材在该小组研究的基础上进行改进,在图6(乙)
的基础上完成改进后的电路图,并推出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式.
参考答案
【基础知识】
1.非电学、
2.较弱、增强、减小;增大、减小
3.qUH/L2、nqSv、IB/nqd,〖例题〗A、C 【热点题型探究】
〖例1〗(1)如图所示。 (2)如图所示。
(3)①往保温杯中加入一些热水,待温度
稳定时读出温度计值;
② 调节滑动变阻器,快速测出几组电流表和电压表的值;
③ 重复①~②,测量不同温度下的数据;
④ 绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。
〖例2〗(1)改变电流方向,磁通量变化量为原来磁通量的两倍,即2BS,代入公式计
算得B=
dm2NDε=
dmφS
,由法拉第电磁感应定律可知电动势的平均值Dφ?t
。
(2)根据数据可得B与I成正比,比例常数约为0.00125,故B=kI(或0.00125I) (3)为了得到平均电动势的准确值,时间要尽量小,由B的计算值可看出与N和S相关联,故选择A、B。
〖例3〗[剖析] 物体M运动时,电压表测的对应电阻发生改变,所以其示数会发生变化,
但整个电路的总电阻没改变,所以电路中的电流不变。[答案] B 〖例4〗AD 〖例5〗A 【基础训练】
1.D;因为琴弦是来回振动的,由右手定则可以判定其感应电流的方向会变化,琴弦的速
度大小也在不断改变,所以感应电流大小也是变化的。 2.ACD;机械式鼠标器中光传感器是由一个滚球,两个滚轴,两个码盘,两个红外线发射
管(LED)和两个红外接收管组成的; 火灾报警器中光传感器是光电三极管, 平时光电
三极管收不到LED发出的光,呈现高电阻状态.烟雾进入罩内后对光有散射作用,使部分光线照射到光电三极管,其电阻变小,与传感器连接的电路检测发出这种变化,就会发出警报。
3.(1)逆时针转动。(2)风速越大磁体转速越大,线圈中磁通量变化率越大,根据法拉第
电磁感应定律,感应电动势越大,感应电流就越大,则可从电流计中读出风速的大小。 4.(1)当齿轮上的齿靠近线圈时,由于磁化使永久磁体磁
场增强,产生感应电流,齿轮离开时产生反方向的感应电流。(2)车轮转速减慢,电流变化频率变小,周期变大,电流值变小。如图所示。
5.B ;声波使膜片前后振动时会带动轻小的金属线圈在磁场中运动使得穿过它的磁通量发
生变化,从而产生感应电流。
6.A;牛顿第三定律中作用力和反作用力大小相等,方向相反,作用在一条直线上,作用在两个物体上。作用力和反作用力同时产生,同时消失。故选项A说法错误,应选A。 7.A D 8.CD 9.BD 10.AC 【能力训练】
1.车轮的半径R和齿轮的齿数P、2πRn/P、2πRN/。[小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积.设车轮的半径为R,单位时间内车轮转动圈数为k,则有v=2πRk.若齿轮的齿数为P,则齿轮转一圈,电子电路显示的脉冲数即为P,已经单位时间内的脉冲数为n,所以单位时间内齿轮转动圈数为n/P.由于齿轮与车轮同轴相连,他们在单位时间内转动圈数相等,即k=n/P.由以上两式可得:v=2πRn/P.同理,设车轮转动的累积圈数为k,则有s=2πRk,,且k=N/P,所以s=2πRN/P;可见,要测小车的速度v和行程s,必需测出单位时间的脉冲数n和累积脉冲数N,车轮半径R和齿轮的齿数P.]
2.(1)电路图如图所示.(2)工作过程,闭合
S,当温度低于设计值时,热敏电阻阻值大,通过电磁继电器电流不能使它工作,K接通电炉丝加热,当温度达到设计值时,热敏电阻减
小到某值,通过电磁继电器的电流达到工作电
流,K断开,电炉丝断电,停止加热,当温度低于设计值,又重复前述过程. 3.(1)(a);图a电路电压可从0 V调到所需电压,调节范围较大.(或图b电路不能
测得0 V附近的数据) [为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线,滑动变阻器要采用分压式电路,且该热敏电阻的阻值比较小,测量电路应接成外接法。](2)5.2;111.8(111.6-112.0)(3)热敏温度计 4.B C D
5.D;UER0
0=IR0=
R,一氧化碳浓度c增大,电导增大,电阻R传减小,
0+R+R传+r
U0增大, 一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关系是正相关关系,但不是正比关系。选项D正确。
6.(1)R=300-0.6F(Ω);(2)15.6mA (3)550N。[(1)由表中数据可归纳得出:
R=300-0.6F(Ω)(2)依题意可知,电子秤空载时压力传感器受到的压力为0,由
表可知,此时压力传感器的电阻R1=300Ω,电路中的电流为I = U/R = 4.68/300 A = 15.6mA,所以该秤零刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处。(3)当电流表刻度盘的读数为I2=20毫安时,压力传感器的电阻R2 = U/I2 = 4.68/0.02 Ω = 234Ω,由 R = 300-0.6F,算得F2 = 110N,再由F2·AO=G·BO得G=550N。] 7.C 8.A 9.
D
10.D;热敏电阻的原理是通过已知某电阻的电阻值与温度的函数关系,测得该热敏电阻
的值即可获取温度,从而应用于温度测控装置中,A说法正确;光敏电阻是将光信号
使D断开,小灯泡灭;反之,光弱时,光敏电阻阻值增大,D接通,灯亮。
10.(1)当放托盘中放入质量为m的物体时,设变阻器的上端到滑动端的长度为x,根据
与电信号进行转换的传感器,B说法正确;电阻丝通过电流会产生热效应,可应用于电热设备中,C说法正确;电阻对直流和交流均起到阻碍的作用,D说法错误。 11.②、③ 12.(1)m=lkEg
U (2)① 略 ② 10.1 ③ 1.24×
103
【综合练习】
1.ABD;用绿光照射光电管的阴极K时,电子被打出来,所以a端为电源的正极,因光
电流很小,所以要经放大器放大以产生更大的磁场来将衔铁N吸住,光电子最大初动能增大只与光的频率有关,,因蓝光的频率比绿光大,更易产生光电效应现象。 2.D;将湿手靠近自动干手机时改变了里面电容器的电介质所以其电容也就发生了变化 3.BD;F向上压膜片电极,使得电容器的正对距离变小,电容变大,所以容纳电荷的能
力更强了,这样电源就继续对电容器充电,电表也就有示数了,直到再次充满。 4.AC;此电容器的两个极板分别是金属棒与导电液体, h增大表示电容器的正对面积增
大,所以电容就增大,充电后断开,则电量Q不变,h减小C减小,而U=Q/C则U必增大。 5.AC;光敏电阻受光照射时电阻减小,所以分担的电压就小, 这样R2上的电压就高,处理系统获得高电压,计数器每由高电压转到低电压,就计一个数,从而达到自动计数目的 6.B;半导体热敏电阻随温度升膏而减小,当传感R2所在处出现火情时,R2变小,这样外
电组就变小,所以外电压U减小,总电流增大,R1上的电压增大,这样并联电路部分的电压就减小,所以I变小。
7. (1)低于 (2)eU/h(evB) (4) 电子受到横向静电力横向静电力与洛伦兹力与洛伦兹力的作用,两力平衡,有 eU/h = evB 由上式,得U = hvB 通过导体的电流密度I = neV·d·h,有U = kIB/d,有hvB = k·neVB·d·h/d得k = I/ne。
8.(1)设计的电路图如图所示. (2)测量步骤与结果:
① 调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零. ② 将砝码放在转换器上,记下输出电压U0. ③ 将待测物放在转换器上,记下输出电压U1; 由UO=kmog,得k=UO/mog 测得U=kmg,所以 m=moU/UO
(3) 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 9.(1)如图所示。(2)当光增强时,光敏
电阻阻值变小,放大器的输入端电流增大,输出端回路中通过线圈A中的电流增大到某一值时,就会将衔铁C吸下,
题意得,mg=kx,此时滑动变阻器接入的阻值为Rxx=LR,
故有URx
x=
Rx+R0+r
E
联立求解,得U=
mgRExmgR+kL(R.
0+r)
(2)电路图如图所示,当放托盘中放入质量为m的物体时,有mg=kx,电压表示数为Ux=E,故有R0+R+r
RxU
x
=
gRE(R0+R+r)kL
m。Rxx=LR,
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