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1、传感器及其应用课件 经典课件第1页，本讲稿共30页光电传感器光电传感器湿度传感器湿度传感器机油压力传感器机油压力传感器超声波传感器超声波传感器第2页，本讲稿共30页一、什么是传感器一、什么是传感器?传感器是指这样一些元件：它能够传感器是指这样一些元件：它能够感受诸如感受诸如位移、速度、压力、温度、湿位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光，度、流量、声强、光，化学成分等化学成分等非电非电学量学量，并能把它们按照一定规律转换为，并能把它们按照一定规律转换为电压、电流等电压、电流等电学量电学量 的一种组件，起自的一种组件，起自动控制作用动控制作用。第3页，本讲稿共30页非电学量 电学量传传感感
2、器器角度角度角度角度位移位移位移位移速度速度速度速度加速度加速度加速度加速度压力压力压力压力温度温度温度温度湿度湿度湿度湿度声强声强声强声强光照强度光照强度光照强度光照强度电压电压电压电压电流电流电流电流电阻电阻电阻电阻电容电容电容电容第4页，本讲稿共30页传感器：传感器：一般由一般由 敏感元件、转换器件、转换电路敏感元件、转换器件、转换电路 三三 部分组成部分组成 转换转换器件器件敏感敏感元件元件转换转换电路电路 非电非电物理量物理量电学量电学量第5页，本讲稿共30页防盗报警器防盗报警器 报警器里面用了一个干簧管，干簧管可以感知报警器里面用了一个干簧管，干簧管可以感知报警器里面用了一个干簧管
3、，干簧管可以感知报警器里面用了一个干簧管，干簧管可以感知磁场而接通或断开电路。磁场而接通或断开电路。磁场而接通或断开电路。磁场而接通或断开电路。1.干簧管干簧管第6页，本讲稿共30页常见传感器及工作原理2、光敏电阻（光电传感器）第7页，本讲稿共30页（1 1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。（2 2）光敏电阻受到光照时电阻会变小光敏电阻受到光照时电阻会变小光敏电阻受到光照时电阻会变小光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉。硫化镉。硫化镉。硫化镉（CdSCdS）是是是是一种半导体材料，无光照时，载
4、流子极少，导电性能不好；光一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；光一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；光一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；光照增强，载流子增多，导电性能变好。照增强，载流子增多，导电性能变好。照增强，载流子增多，导电性能变好。照增强，载流子增多，导电性能变好。（3 3）光敏电阻将）光敏电阻将）光敏电阻将）光敏电阻将光学量光学量光学量光学量（光照强度）转化为（光照强度）转化为（光照强度）转化为（光照强度）转化为电学量电学量电学量电学量（电阻）（电阻）（电阻）（电阻）。光敏电阻的光敏电阻的特性：第8页，本讲稿共30页例例1 1、如图所
5、示为光敏电阻自动计数器的示意图，、如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中其中R R1 1为光敏电阻，为光敏电阻，R R2 2为定值电阻此光电计数为定值电阻此光电计数器的基本工作原理是（器的基本工作原理是（）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 R1 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C C信号处理系统每获得一次低电压就记数一次信号处理系统每获得一次低电压就记数一次D D信号处理系统每获得一次高电压就记数一次信号处理系统每获得一次高电压就记数一次ACAC第9页，本讲稿共30页3、热敏电阻和金
6、属热电阻（1 1 1 1）导电性能与温度的变化关系。）导电性能与温度的变化关系。）导电性能与温度的变化关系。）导电性能与温度的变化关系。半导体材料的导电性能随温度升高而变半导体材料的导电性能随温度升高而变半导体材料的导电性能随温度升高而变半导体材料的导电性能随温度升高而变好（电阻率随温度升高而减小）；好（电阻率随温度升高而减小）；好（电阻率随温度升高而减小）；好（电阻率随温度升高而减小）；金属导体的导电性能随温度升高而降金属导体的导电性能随温度升高而降金属导体的导电性能随温度升高而降金属导体的导电性能随温度升高而降低（电阻率随温度升高而增大）。低（电阻率随温度升高而增大）。低（电阻率随温度升高
7、而增大）。低（电阻率随温度升高而增大）。ORT金属导线金属导线热敏电阻热敏电阻（2 2 2 2）热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；小；小；小；金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，的化学稳定性较好，测量范围较大，的化学稳定性较好，测量范围较大，的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。但灵敏度较差。但灵敏度较差。但灵敏度较差。（3 3 3 3）热敏电阻或金属热电阻能够将热学量）热敏电阻或金属热电阻能够将热
8、学量）热敏电阻或金属热电阻能够将热学量）热敏电阻或金属热电阻能够将热学量(温度温度温度温度)转化转化转化转化为电阻这个电学量。为电阻这个电学量。为电阻这个电学量。为电阻这个电学量。第10页，本讲稿共30页例2 有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（）ABA.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻C.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D.用黑纸包住与不
9、用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻AC第11页，本讲稿共30页例例3：如图是一火警报警的一部分电路示：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中意图。其中R2为用半导体热敏材料制成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，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所在处出所在处出现火情时，显示器的电流现火情时，显示器的电流I、报警器两端、报警器两端的电压的电压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
10、 变小变小 R1R2R3AabErB 第12页，本讲稿共30页尝试体验尝试体验 如图所示，R1、R2为定值电阻，L是小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）A电压表的示数增大 BR2中电流减小 C小灯泡的功率增大 D电路的路端电压增大返回返回ABC第13页，本讲稿共30页电容式位移传感器电容式位移传感器电容式位移传感器能够把物体电容式位移传感器能够把物体电容式位移传感器能够把物体电容式位移传感器能够把物体_这个力学量转换为这个力学量转换为这个力学量转换为这个力学量转换为_这个电学量这个电学量这个电学量这个电学量位移位移位移位移电容电容电容电容电容式位移传感器示意图被测物体x x电容器极
11、板电介质板第14页，本讲稿共30页（1 1）测定角度）测定角度）测定角度）测定角度 （2 2）测定液面高度）测定液面高度）测定液面高度）测定液面高度h h（3 3）测定压力）测定压力）测定压力）测定压力F F（4 4）测定位移）测定位移）测定位移）测定位移x x 定片定片动片动片电介质电介质金属芯线金属芯线导电液体导电液体待测压力待测压力F固定电极固定电极可动电极可动电极x极板极板极板极板电介质电介质其它电容式传感器第15页，本讲稿共30页 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把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）转化力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学
12、信号（电压、电流等）的仪器。力为电学信号（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飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动防抱死制动系统等。系统等。3.力电传感器力电传感器 第16页，本讲稿共30页电阻传感器测物体的质量电阻传感器测物体的质量EPASBR0APASBR0VEPASBR0VE第17页，本讲稿共30页例例*：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
13、于受压面受到的压力（比例系数为的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k k）如图所示，测量时先）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；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体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压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、滑动变阻器、干电池一的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该个、电键及导线若干、待测物体（可
14、置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量物体的测量m m。（1 1）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）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。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。力电转换器力电转换器输出输出输入输入受压面受压面第18页，本讲稿共30页(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
15、压为零使转换器的输出电压为零,将将砝码放在转换器上砝码放在转换器上,记下输出电压记下输出电压U U0 0,将待测物放在转换器上将待测物放在转换器上,记下输出记下输出电压电压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第19页，本讲稿共30页例：（例：（2003上海考题）演示位移传感器的工作原理如右图示，物体上海考题）演示位移传感器的工作原理如右图示，物体M在在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，通过电压
16、表显示的数据，来反映物体位移的大小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。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是()A 物体物体M运动时，电源内的电流会发生变化运动时，电源内的电流会发生变化B 物体物体M运动时，电压表的示数会发生变化运动时，电压表的示数会发生变化C 物体物体M不动时，电路中没有电流不动时，电路中没有电流D 物体物体M不动时，电压表没有示数不动时，电压表没有示数B第20页，本讲稿共30页常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。温度传感器的应用电熨斗传感器应用实例双金属片温度传感器：第21页，本讲稿共30页例例2
17、.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？双金属片，你能说出启动器的工作原理吗？U形形动动触片触片静触片静触片氖氖泡泡图1解析：日光灯启动器结构如图所示，内解析：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。开关有一双金属片，热膨胀系数不同。开关闭合后，启动器两极之间有电压使氖气闭合后，启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光，辉光发出的热量使放电而发出辉光，辉光发出的热量使U U形形动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片接动触片受热膨胀向外延伸，碰到静触片接触，电路接通；
18、温度降低时，触，电路接通；温度降低时，U U动触片向动触片向里收缩，离开触点，切断电路。里收缩，离开触点，切断电路。第22页，本讲稿共30页电熨斗的构造思考与讨论：常温下两触点是接触还是分离？如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？第23页，本讲稿共30页例例3.3.电熨斗：电熨斗：利用双金属片温度传感器控制电路的通断利用双金属片温度传感器控制电路的通断.第24页，本讲稿共30页（1）电饭锅中温度传感器的主要元件是什么？）电饭锅中温度传感器的主要元件是什么？（2）感温铁氧体的组成物质是什么？）感温铁氧体的组成物质是什么？（3）感温铁氧体有何特点？）感温铁氧体有何特点？（4）什么是）什么是“
19、居里点居里点”？温度传感器的应用电饭锅第25页，本讲稿共30页 利用烟雾对光的散利用烟雾对光的散射来工作的火灾报射来工作的火灾报警器警器光传感器的应用光传感器的应用火灾报警器火灾报警器第26页，本讲稿共30页 （1 1）材料：半导体）材料：半导体 如：砷化铟如：砷化铟CDFBEI IU UH H霍尔元件工作原理图霍尔元件工作原理图 （3 3）霍尔电压）霍尔电压:K K为比例系数，称为为比例系数，称为霍尔系数霍尔系数，其大小与元件的材料有关。，其大小与元件的材料有关。一个霍尔元件的一个霍尔元件的d、k为定值，再保持为定值，再保持I恒定，则恒定，则UH 的变化就与的变化就与B成正成正比。因此霍尔元
20、件又称比。因此霍尔元件又称磁敏元件磁敏元件。霍尔元件把磁学量（磁感应强度）转换为电学量（电压）。霍尔元件把磁学量（磁感应强度）转换为电学量（电压）。霍尔元件把磁学量（磁感应强度）转换为电学量（电压）。霍尔元件把磁学量（磁感应强度）转换为电学量（电压）。五、霍尔元件（磁传感器）（2 2）工作原理：）工作原理：第27页，本讲稿共30页例例4:可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。当系统绕轴其结构如图所示。当系统绕轴OO转动时，元件转动时，元件A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信
21、息源。已知等的制导系统的信息源。已知A的质量为的质量为m，弹簧的劲度系数为，弹簧的劲度系数为k、自然长、自然长度为度为l，电源的电动势为，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，电阻分布均匀，系统静止时系统静止时P在在B点，当系统以角速度点，当系统以角速度转动时，试写出输出电压转动时，试写出输出电压U与与的函数式。的函数式。A S PCBOO输出电压输出电压U解：设弹簧伸长x,则 x=m 2 l (k-m 2)设滑动变阻器单位长度 的电阻为r1 U=IRx=Exr1/l r1=Ex/l U=Em 2(k-m 2)第28页，本讲稿共30页例例
22、5：将将金金属属块块m用用压压缩缩的的轻轻弹弹簧簧卡卡在在一一个个矩矩形形的的箱箱中中，如如图图所所示示，在在箱箱的的上上顶顶板板和和下下底底板板装装有有压压力力传传感感器器，箱箱可可以以沿沿竖竖直直轨轨道道运运动动。当当箱箱以以a=2.0 m/s2的的加加速速度度竖竖直直向向上上做做匀匀减减速速运运动动时时，上上顶顶板板的的传传感感器器显显示示的的压压力力为为6.0N，下底板的传感器显示的压力为，下底板的传感器显示的压力为10.0N。(取取g=10 m/s2)(1)若上顶板传感器的示数是下底板若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半，传感器的示数的一半，试判断箱的试判断箱的运动情况。运
23、动情况。(2)要使上顶板传感器的示数为零要使上顶板传感器的示数为零,箱箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？沿竖直方向运动的情况可能是怎样的？m第29页，本讲稿共30页原来原来（1）（2）解：解：mF=10NF1=6Nmga向上做匀减速运动向上做匀减速运动a向下向下a=2m/s2mg+F1-F=mam=0.5kgFmgF2a2上顶板示数是下底板上顶板示数是下底板示数的示数的1/2弹簧长度不变弹簧长度不变F=10N F2=5N mg+F2-F=ma2a2=0静止或匀速运动静止或匀速运动Fmga3上顶板示数为零，则弹上顶板示数为零，则弹簧变短簧变短F10N F3=0F mg=ma3a3 10m/s2向上加速或向下减速，加向上加速或向下减速，加速度速度a 10m/s2。第30页，本讲稿共30页