《传感器上课》课件.ppt

1、传感器的应用 传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、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（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：敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：一、传感器的含义一、传感器的含义非电物理量非电物理量转换器件转换器件敏感元件敏感元件转换电路转换电路电学量电学量二、传感器的分类二、传感器的分类1.力电传

2、感器力电传感器 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、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、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。防抱死制动系统等。力电传感器力电传感器:主要是利用敏感元件和变主要是利用敏感元件和变阻器把阻器把力学信号力学信号（位移、速度、加速度（位移、速度、加速度

3、等）转化为等）转化为电学信号电学信号（电压、电流等）（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会的仪器。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机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及及ABSABS防抱死制动系统等。防抱死制动系统等。例例1 1：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k k）如图）如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器

4、空载时的输出电压为所示，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 0；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量成正比的；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压输出电压U U。现有下列器材：力电转换器、质量为现有下列器材：力电转换器、质量为m m0 0的砝码、电压表、滑动变阻的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量的受压面上）。请完成对该物体的测量m m。（1 1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压）设

5、计一个电路，要求力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。的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。（2 2）简要说明测量步骤，求出比例系数）简要说明测量步骤，求出比例系数k k，并测出待测物体的质量，并测出待测物体的质量m m。（3 3）请设想实验中可能会出现的一个问题。）请设想实验中可能会出现的一个问题。力电转换器力电转换器输出输出输入输入受压面受压面(1)(1)设计电路如图(2)(2)测量步骤与结果测量步骤与结果:调节滑动变阻器调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为使转换器的输出电压为零零,将砝码放在转换器上将砝码放在转换器上,记下输出电压

6、记下输出电压U U0 0,将待测物放在转换将待测物放在转换器上器上,记下输出电压记下输出电压U U 由由U U0 0=km=km0 0g,g,得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g U=k m g,U=k m g,所以所以 m=mm=m0 0U/UU/U0 0例题例题2 2：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中图，图中P P为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O O是悬挂点，是悬挂点，R0R0是保护电阻，是保护电阻，CDCD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝是水平放置的光

7、滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在C C点接触，此时电点接触，此时电路中的电流为路中的电流为I I，有风时细金属丝将偏转一角度，有风时细金属丝将偏转一角度（与风力大小与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在有关），细金属丝与电阻丝在C C/点接触，已知风力方向水平向左，点接触，已知风力方向水平向左，OC=hOC=h，CD=LCD=L，球的质量为，球的质量为M M，电阻丝单位长度的电阻为，电阻丝单位长度的电阻为k k，电源内电，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转角时，电流表的示数

8、为角时，电流表的示数为I I/，此时风力大小为，此时风力大小为F F，试写出：，试写出：风力大小风力大小F与与的关系式；的关系式；风力大小风力大小F与电流表示数与电流表示数I/的关系式。的关系式。此装置所测定的最大风力是多少此装置所测定的最大风力是多少？R0OPDBCA电电源源例例3(1)惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系统的重要元惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长件是加速度计。加速度计的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为m的滑块，滑块的两

9、侧分的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为别与劲度系数均为k的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止，弹簧处于自然长度。滑块上有指针，可通过标尺测滑块原来静止，弹簧处于自然长度。滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导。设某段时间内导弹沿出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导。设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为点的距离为S，则这段时间内导弹，则这段时间内导弹的加速度的加速度 （）A.方向向左，大小为方向向左，大小为 k S/m B方向向右，大小为方向向右，大小为 k S/m

10、 C方向向左，大小为方向向左，大小为 2k S/m D.方向向右，大小为方向向右，大小为 2k S/m01010UPD(2)若电位器（可变电阻）总长度为若电位器（可变电阻）总长度为L，其电阻均匀，两端接在稳压，其电阻均匀，两端接在稳压电源电源U0上，当导弹以加速度上，当导弹以加速度a沿水平方向运动时，与滑块连接的滑沿水平方向运动时，与滑块连接的滑动片动片P产生位移，此时可输出一个电信号产生位移，此时可输出一个电信号U，作为导弹惯性制导系，作为导弹惯性制导系统的信息源，为控制导弹运动状态输入信息，试写出统的信息源，为控制导弹运动状态输入信息，试写出U与与a 的函数的函数关系式。关系式。01010

11、UPU0解：a=2kS/m S=ma/2k U=U0 Rx/R=U0 S/L =maU0/2kL =mU0 a/2kLa例题例题4 4：加速度计是测定物体加速度的仪器，它已成为导弹、飞机、：加速度计是测定物体加速度的仪器，它已成为导弹、飞机、潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。如图为应变式加速度计示意图，潜艇后宇宙飞船制导系统的信息源。如图为应变式加速度计示意图，当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件当系统加速时，加速度计中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感由弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件下

12、端的滑动臂可在滑动变阻器元件下端的滑动臂可在滑动变阻器R上自由滑动，当系统加速运动上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出，已知：敏感元件的时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出，已知：敏感元件的质量为质量为m，两弹簧的劲度系数为，两弹簧的劲度系数为k，电源的电动势为，电源的电动势为E，内电阻不计，内电阻不计，滑动变阻器的总电阻为滑动变阻器的总电阻为R，有效长度为，有效长度为L，静态时输出电压为，静态时输出电压为U0。试求加速度试求加速度a与输出电压与输出电压U的关系式。的关系式。滑动触头左右移动过程中，滑动触头左右移动过程中，电路中电流如何变化？电路中电流如何变化

13、？若车的加速度大小为若车的加速度大小为a，则，则两弹簧的形变量是多少？两弹簧的形变量是多少？求加速度求加速度a与输出电压与输出电压U的的关系式关系式敏感敏感元件元件输出输出信号信号ER 热电传感器热电传感器: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制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、化而变化的原理制成的，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。饮水机、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。例题例题1.1.（20032003上海试题）唱卡拉上海试题）唱卡拉OKOK用的话筒，内有

14、传感器。其中用的话筒，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，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。下列说法正确的是就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是()()A A 该传感器是根据电流的磁效应工作的该传感器是根据电流的磁效应工作的B B 该传感器是根据电磁感应原理工作的该传感器是根据电磁感应原理工作的C C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变D D 膜

15、片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 例例2.日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置，它的热敏功能器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？器是双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？U形动触片形动触片静触片静触片氖泡氖泡图1解析：日光灯启动器结构如图所示，解析：日光灯启动器结构如图所示，内有一双金属片，热膨胀系数不同。内有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭合后，启动器两极之间有电开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使出的热量使U U形动

16、触片受热膨胀向外形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片接触，电路接通；延伸，碰到静触片接触，电路接通；温度降低时，温度降低时，U U动触片向里收缩，离动触片向里收缩，离开触点，切断电路。开触点，切断电路。例例3.3.电电熨熨斗斗：利用利用双金属片温度传感器控制电路的通断双金属片温度传感器控制电路的通断.2。热电传感器热电传感器 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制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、的原理制成的，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。电饭煲等）的

17、温度控制、火警报警器、恒温箱等。例题：例题：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半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，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。当传感器之间接报警器。当传感器 R2 所在处出现火情时，显示器的电流所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压、报警器两端的电压U 的变化情况是（的变化情况是（）A.I 变大，变大，U 变大变大 B.I 变小，变小，U 变小变小 C.I 变小，变小，U 变大变大 D.I 变大，变大，U 变小变小 R1R2R3AabEr 解：解：

18、出现火情时温度升高，出现火情时温度升高，R2 减小，减小，R总总减小，减小，I总总增大，增大，Uab减小，减小，U并并减小，减小，IA减小，减小，例例6.6.如图所示是一种热敏电阻（如图所示是一种热敏电阻（PTCPTC元件）的电阻元件）的电阻R R随温度随温度t t变化的变化的关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能常见的电热灭蚊器关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能常见的电热灭蚊器中就使用这种元件来加温并控制温度如果将该元件接到中就使用这种元件来加温并控制温度如果将该元件接到220V220V恒恒定电压下，则定电压下，则（）A A通电后，其电功率先增大后减小通电后，其电功率先增大后减小B

19、B通电后，其电功率先减小后增大通电后，其电功率先减小后增大CC当其发热功率等于散热功率时，温度保持在当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t t1 1不变不变D D当其发热功率等于散热功率时，温度保持在当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t t1 1 到到t t2 2之间的某一之间的某一值不变值不变t/Rt2t1例例7.右图是一个温度传感器的原理示意图右图是一个温度传感器的原理示意图,Rt是一个热敏电阻器。是一个热敏电阻器。试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的。试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的。思考方向：思考方向：1、两电阻采取什么连接方、两电阻采取什么连接方式？式？2、转变的电

20、信号应该是哪个电学量？、转变的电信号应该是哪个电学量？3、电压表测的是哪个电阻的电压？、电压表测的是哪个电阻的电压？VRtR 温度升高或降低导致温度升高或降低导致Rt阻值发生变化，使电路中电流也发生阻值发生变化，使电路中电流也发生变化，导致变化，导致R上的电压也发生改变，因此电压表读数将会发生变上的电压也发生改变，因此电压表读数将会发生变化，从而就将温度的化转变为电信号。化，从而就将温度的化转变为电信号。例例13.用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选

21、择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。器、滑动变阻器、开关、导线。aedcb 光电传感器光电传感器:光电传感器中的主要部件是光敏电阻或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阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、的原理制成的。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。烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。例例1.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将

22、多用电表的如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于选择开关置于档，用光照射光敏电阻时表针的偏角为档，用光照射光敏电阻时表针的偏角为，现用手现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为掌挡住部分光线，表针的偏角变为，则可判断，则可判断 （）A.=B.D.不能确定不能确定和和 的关系的关系 例例2.2.如图是天花板上装的火灾报警器，平时，发光二极管如图是天花板上装的火灾报警器，平时，发光二极管 LEDLED发出的光被挡板挡住，光电三极管收不到光，呈现高发出的光被挡板挡住，光电三极管收不到光，呈现高电阻状态；当有烟雾进入罩内后，对光线向各个方向散射，电阻状态；当有烟雾进入罩内后，对

23、光线向各个方向散射，使部分光线照射到光电三极管上，其阻值变小，与传感器使部分光线照射到光电三极管上，其阻值变小，与传感器连接的电路检测到这种变化，就会发出警报连接的电路检测到这种变化，就会发出警报例例5.如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A是发光仪器，是发光仪器，B是传送带上物品，是传送带上物品，R1为光敏电阻，为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是（的基本工作原理是（）（A A）当有光照射）当有光照射R R1 1时，信号处理系统获得高电压时，信号处理系统获得高电压（B B）当有光照射）当有光照射R R

24、1 1时，信号处理系统获得低电压时，信号处理系统获得低电压（CC）信号处理系统每获得一次低电压就记数一）信号处理系统每获得一次低电压就记数一次次（D D）信号处理系统每获得一次高电压就记数一）信号处理系统每获得一次高电压就记数一次次AR1R2信信号号处处理理系系统统4.声电传感器声电传感器 例题例题1.（2003上海试题）唱卡拉上海试题）唱卡拉OK用的话筒，内有传感器。其中用的话筒，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小的金属线圈，线圈处于永磁体的

25、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膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势 例例2.动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象,图图6-2-3甲所式甲所式是话筒原理是话筒原理,图图6-2-3乙所式是录音机的录音

26、、放音原理图乙所式是录音机的录音、放音原理图,由图可知由图可知:话筒工作时录音磁铁不动话筒工作时录音磁铁不动,线圈振动而产生感应电流线圈振动而产生感应电流.录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场 其中正确的是其中正确的是:()A B B C C D D C电容传感器电容传感器：电容器的电容电容器的电容C决定于极板的正对

27、面积决定于极板的正对面积S、极板间距、极板间距离离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、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，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。起这种作用的电容器称为电容式传感器。例例1.随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，洗手后，将湿随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，洗手后，将湿手靠近自动干手机，机

28、内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从手靠近自动干手机，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。手靠近干手机能使传感器工作，是因为机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，是因为 （）A.改变了湿度改变了湿度 B.改变了温度改变了温度 C.改变了磁场改变了磁场 D.改变了电容改变了电容电感传感器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电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁场作为媒介来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。或利用磁体的某些现象。录音机录音机NS实例：磁性物质探测报警器实例：磁性物质探测报警器