力電傳感器教學及應用賞析

摘要:本文介紹了力電傳感器的原理、結構及其在現代科學技術中的廣泛應用，包括如何用它來測量物體的位移、角速度、加速度、質量等物理量的方法。

關鍵詞:力電傳感器;物理量;測量;原理;方法

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)1(S)-0053-2

力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學信號(位移、速度、加速度等)轉化為電學信號(電壓、電流等)的儀器。力電傳感器廣泛地應用于社會生產、現代科技中，如安裝在導彈、飛機、潛艇和宇宙飛船上的慣性導航系統及ABS防抱死制動系統等。

1 測物體位移

例1 演示位移傳感器的工作原理如圖1所示，物體M在導軌上平移時，帶動滑動變阻器的金屬滑桿p，通過電壓表顯示的數據，來反映物體位移的大小x。假設電壓表是理想的，則下列說法正確的是(B)

A.物體M運動時，電源內的電流會發生變化

B.物體M運動時，電壓表的示數會發生變化

C.物體M不動時，電路中沒有電流

D.物體M不動時，電壓表沒有示數

解析 因為○V是理想電壓表，RV視為無窮大，對電路中電流沒有影響。所以A錯。

M運動時滑線變阻器左側電阻R1發生變化，電壓表的示數會發生變化。如M向右動，R1變大，右側電阻R2減小，因為UR1變大，○V讀數變大，可測出向右位移，B正確。M不動時，電流仍有，電壓表仍有讀數。C錯，D錯。

2 測物體角速度

例2 如圖2所示結構可測量飛機、航天器、潛艇的轉動角速度。當系統繞軸OO′轉動時，元件A發生位移并輸出相應的電壓信號，成為飛機、衛星等制導系統的信息源。已知A的質量為m，彈簧的勁度系數為k、自然長度為l，電源的電動勢為E、內阻不計。滑動變阻器總長也為l， 電阻分布均勻， 系統靜止時P在B點，當系統以角速度ω轉動時，試寫出輸出電壓U與角速度ω的函數式。

解析 設彈簧伸長x，則

kx=mω2(l+x)

∴x=mω2lk-mω2

設滑動變阻器單位長度的電阻為r

U=IRx=xrlrE=xEl

∴U=Emω2k-mω2

3 測物體加速度

例3 慣性制導系統已廣泛應用于導彈工程中，這個系統的重要元件是加速度計。加速度計的構造和原理的示意圖如圖3所示，沿導彈長度方向安裝的固定光滑桿上套一個質量為m的滑塊，滑塊的兩側分別與勁度系數均為k的彈簧相連，兩彈簧的另一端與固定壁相連。滑塊原來靜止，彈簧處于自然長度。滑塊上有指針，可通過標尺測出滑塊的位移，若電位器(可變電阻)總長度為L，其電阻均勻，兩端接在穩壓電源U0上，當導彈以加速度a沿水平方向運動時，與滑塊連接的滑動片P產生位移，此時可輸出一個電信號U，作為導彈慣性制導系統的信息源，為控制導彈運動狀態輸入信息，試寫出U與a的函數關系式。

解析 假設滑動片P產生的位移為s

∵a=2ksm

∴s=ma2k

U=RxRU0=U0sL

=maU02kL

4 測物體質量

例4 某學生為了測量一物體的質量，找到一個力電轉換器，該轉換器的輸出電壓正比于受壓面的壓力(比例系數為k)，如圖4所示。測量時先調節輸入端的電壓。使轉換器空載時的輸出電壓為0;而后在其受壓面上放一物體，即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓 。現有下列器材:力電轉換器、質量為m0的砝碼、電壓表、滑動變阻器、干電池各一個、電鍵及導線若干、待測物體(可置于力電轉換器的受壓面上)。

請完成對該物體質量的測量。

(1)設計一個電路，要求力電轉換器的輸入電壓可調，并且使電壓的調節范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測量電路圖。

(2)簡要說明測量步驟，求出比例系數 ，并測出待測物體的質量。

(3)請設想實驗中可能會出現的一個問題。

解析 (1)設計的電路圖如圖5所示。

(2)測量步驟與結果:

①調節滑動變阻器，使轉換器的輸出電壓為零;

②將砝碼放在轉換器上，記下輸出電壓U0;

③將待測物放在轉換器上，記下輸出電壓U;

由U0=km0g

得k=U0m0g

測得U=kmg

所以m=m0UU0

(3)①因電源電壓不夠而輸出電壓調不到零;

②待測物體質量超出轉換器量程。

5 測物體受力

例5 如圖6所示為一種測定風作用力的儀器原理圖，P為金屬球，懸掛在一細長金屬絲下面，O是懸點，R0是保護電阻，CD是水平放置的光滑電阻絲，與細金屬絲始終保持良好接觸。無風時，金屬絲與電阻在C點接觸，此時○A的示數為I0;有風時，金屬絲將偏一角度，角θ與風力大小有關，設風力方向水平向左，OC=h、CD=L，金屬球質量為m，電阻絲單位長度的阻值為K，電源內電阻和金屬絲電阻不計，金屬絲偏角為θ時，○A的示數為I′，此時風力為F，試寫出:

(1)F與θ的關系式;

(2)F與I′的關系式。

解 (1)有風力時，金屬球P受力如圖7所示。

F=T#8226;sinθ①

mg=T#8226;cosθ②

所以F=mgtanθ③

(2)無風時，電路中U=I0(R0+LK)④

有風力時，電路中U=I′(R0+KL′)⑤

L′=L-htanθ⑥

由④⑤⑥解出

F=mgI′kh(R0+KL)(I′-I0)

(欄目編輯王柏廬)