傳感器及其應用88951課件

1、第六章 傳感器第1頁，共41頁。列舉生活中的一些自動控制實例， 遙控器控制電視開關；日光控制路燈的開關 聲音強弱控制走廊照明燈開關；自動門安檢門等 音樂茶杯：茶杯平放桌上時，無聲無息，提起茶杯，茶杯邊播放悅耳的音樂，邊閃爍著五彩的光芒。怎么回事 問題引入？音樂茶杯的工作開關又在哪里？開啟的條件是什么？ 用書擋住底部（不與底部接觸），音樂停止，可見音樂茶杯受光照強度的控制。 光照變化（光強變化）光照時光敏電阻阻值減小電路接通，音樂響起。 第2頁，共41頁。傳感器的定義：傳感器是指這樣一類元件：它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并把它們按照一定的規(guī)律轉化成電壓、電流等電學量，或轉

2、化為電路的通斷。第3頁，共41頁。傳感器的作用： 傳感器的作用是把非電學量轉化為電學量或電路的通斷，從而實現很方便地測量、傳輸、處理和控制。 非電學量傳感器電學量 角度位移速度壓力溫度濕度聲強光照 傳感器電壓電流電阻電容第4頁，共41頁。非電學量敏感元件轉換器件轉換電路電學量傳感器的工作原理 ：第5頁，共41頁。光電傳感器機油壓力傳感器超聲波傳感器常見傳感器電子秤第6頁，共41頁。離子感煙器明火探測器溫度傳感器濕度傳感器第7頁，共41頁。 1、干簧管：是一種能夠感知磁場的傳感器常見制作傳感器的元件磁感應強度的變化 簧片的磁化和去磁 電路的通斷 干簧繼電器的應用事例： 實驗電源的過載保護(無需保

3、險絲)第8頁，共41頁。防盜報警器 報警器里面用了一個干簧管，干簧管可以感知磁場而接通或斷開電路。第9頁，共41頁。2、光敏電阻 演示實驗：將光敏電阻和多用表的歐姆檔相連，隨著光照不同，表有何變化？（1）隨著光照強度的增加，多用表的指針偏角逐漸變大。表明光敏電阻的電阻率與光照強度有關。光敏電阻受到光照時電阻會變小（2）光敏電阻是一種用硫化鎘半導體材料做成的，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照增強，載流子增多，導電性能變好。（3）光敏電阻能夠將光學量轉化為電阻這個電學量。第10頁，共41頁。例1、如圖所示為光敏電阻自動計數器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻此光電計數器的基本

4、工作原理是（ ）A當有光照射 R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B當有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數一次D信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數一次AC第11頁，共41頁。熱 敏電阻的阻值會隨著溫度的升高而_減?。┨匦裕簾崦綦娮枘軌虬?溫度這個熱學量轉換成為電阻這個電學量金屬熱電阻化學穩(wěn)定性好、測量范圍大、但是靈敏度差。3）應用：電阻溫度計、報警器等2）異同點:金屬熱電阻的阻值會隨著溫度的升高而_增大熱 敏電阻化學穩(wěn)定性差、測量范圍小、但是靈敏度好。3熱敏電阻和金屬熱電阻第12頁，共41頁。V例題2、如圖是一個溫度傳感器的原理示意圖,Rt是一個熱敏電阻器。試說

5、明傳感器是如何把溫度值轉變?yōu)殡娦盘柕摹tR溫度升高或降低導致Rt阻值發(fā)生變化，使電路中電流也發(fā)生變化，導致R上的電壓也發(fā)生改變，因此電壓表讀數將會發(fā)生變化，從而就將溫度的化轉變?yōu)殡娦盘枴Ｋ伎挤较颍?、兩電阻采取什么連接方式？2、轉變的電信號應該是哪個電學量？3、電壓表測的是哪個電阻的電壓？第13頁，共41頁。例題3如圖是一火警報警的一部分電路示意圖。其中R2為用半導體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報警器。當傳感器R2所在處出現火情時，顯示器的電流I、報警器兩端的電壓U的變化情況是（ ）A.I 變大，U 變大 B.I 變小，U 變小 C.I 變小，U 變大 D.I

6、變大，U 變小 R1R2R3AabErB第14頁，共41頁。4、電容式位移傳感器電容式位移傳感器能夠把物體_這個力學量轉換為_這個電學量位移電容電容式位移傳感器示意圖被測物體x電容器極板電介質板第15頁，共41頁。（1）測定角度 （2）測定液面高度h （3）測定壓力F （4）測定位移x 定片動片電介質金屬芯線導電液體待測壓力F固定電極可動電極x極板極板電介質（4）、其他電容式傳感器第16頁，共41頁。例題4 隨著生活質量的提高，自動干手機已進入家庭，洗手后，將濕手靠近自動干手機，機內的傳感器便驅動電熱器加熱，有熱空氣從機內噴出，將濕手烘干。手靠近干手機能使傳感器工作，是因為 （ ） A. 改變

7、了濕度 B. 改變了溫度C. 改變了磁場 D. 改變了電容 D第17頁，共41頁。（1）材料：半導體 如：砷化銦（2）工作原理圖NMFBEIUH霍爾元件工作原理圖（3）霍爾電壓:K為比例系數，稱為霍爾系數其大小與元件的材料有關。一個霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH 的變化就與B成正比。因此霍爾元件又稱磁敏元件?；魻栐軌虬裚這個磁學量轉換為_這個電學量磁感應強度電壓5.霍爾元件第18頁，共41頁。例題5、如圖所示是霍爾元件的工作原理示意圖，如果用d表示薄片的厚度，k為霍爾系數，對于一個霍爾元件d、k為定值，如果保持電流I恒定，則可以驗證UH隨B的變化情況以下說法中正確的是 ()A

8、將永磁體的一個磁極逐漸靠近 霍爾元件的工作面時，UH將變大B在測定地球兩極的磁場強弱時， 霍爾元件的工作面應保持水平C在測定地球赤道上的磁場強弱時，霍爾元件的工作面應保持水平D改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角，UH將發(fā)生變化ABD第19頁，共41頁。6. 力傳感器電子秤金屬梁形變（力學量）電 壓（電學量）轉換第20頁，共41頁。機理半導體材料應變片金屬梁上下表面各貼一個應變片自由端受到向下壓力梁發(fā)生彎曲上表面拉伸下表面壓縮R增大R減小片應變F 越大應變片中R 變化越大I 恒定輸出電壓差大第21頁，共41頁。例題6某學生為了測量一個物體的質量，找到一個力電轉換器，該轉換器的輸出電壓正比于受壓面受

9、到的壓力（比例系數為 k ）如圖所示，測量時先調節(jié)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上物體，即可測得與物體的質量成正比的輸出電壓 U。 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）。請完成對該物體的測量 m 。（1）設計一個電路，要求力轉換器的輸入電壓可調，并且使電壓的調節(jié)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 k，并測出待測物體的質量 m 。（3）請設想實驗中可能會出現的一個問題。力電轉換器受壓面_+_輸出輸入第22頁，共41頁。

10、力電轉換器受壓面_+_V(1) 電路設計(2) 測量步驟調節(jié)滑動變阻器，使轉換器的輸出電壓為零。將質量為 m0 的砝碼放在轉換器上，記下輸出電壓 U0。將待測物體放在轉換器上，記下輸出電壓U1。得 k = U0 / m0g由 U0 = km0g得 m = m0U1/U0 由U1 = kmg(3) 可能出現的問題因電源電壓不夠而輸出電壓調不到零待測物體質量超出轉換器量程第23頁，共41頁。7. 聲傳感器動圈式話筒膜片聲波趨動下平衡位置附近振動線圈振動線圈中磁通量周期性變化周期性變化的感應電流第24頁，共41頁。絕緣支架電容式話筒薄金屬膜M固定電極N構成電容器充電直流電源膜片M聲波趨動振動電容變化

11、電容器充電放電電路中形成變化電流R兩端輸出與聲音規(guī)律相同的電壓第25頁，共41頁。例題7.電容式話筒的保真度比動圈式話筒好, 其工作原理如圖所示, Q是絕緣支架, M是薄金屬膜和固定電極N形成一個電容器,被直流電源充電,當聲波使膜片振動時,電容發(fā)生變化,電路中形成變化的電流,當膜片向右運動的過程中有（ ） A 電容變大 B 電容變小 C 導線AB中有向左的電流 D 導線AB中有向右的電流A C 第26頁，共41頁。8. 溫度傳感器電熨斗原理圖雙金屬片溫控原理第27頁，共41頁。電飯鍋感溫鐵氧體感溫材料氧化錳、氧化鋅氧化鐵粉末混合居里點常溫下有磁性約 103 0C 時，失去磁性結構圖示開始煮飯時

12、，用手壓下開關按鈕，永磁體與感溫磁體相吸，手松開后，按鈕不再恢復到圖示狀態(tài)。水沸騰后，鍋內大致保持 100不變。飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度升高，當溫度升至“居里點103”時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電源，從而停止加熱如果用電飯鍋燒水，水沸騰后，鍋內保持100不變，溫度低于“居里點103”，電飯鍋不能自動斷電。只有水燒干后，溫度升高到103才能自動斷電。第28頁，共41頁。例8、如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個控溫開關，手動閉合后，當此開關溫度達到居里點（103）時，會自動斷開。S2是一個自動控溫開關，當溫度低于70時會自動閉合；溫度高于80時，會

13、自動斷開。紅燈是加熱時的指示燈，黃燈是保溫時的指示燈。分流電阻R1R2500，計算加熱電阻絲R350，兩燈電阻不計。（1）分析電飯煲的工作原理。（2）計算加熱和保溫兩種狀態(tài)下消耗的電功率之比。（3）簡要回答，如果不閉合開關S1，能將飯煮熟嗎？第29頁，共41頁。冰箱溫度控制器M1 測溫泡2 細管3 彈性金屬盒4 彈簧片5 動觸點6 靜觸點7 拉桿8 凸輪9 連桿冰箱內溫度較高時，密封系統(tǒng)中的壓強增大，盆體膨脹，膜盒3通過小柱體帶動彈簧片4，使動觸點5與靜觸點6接觸，控制壓縮機自動開始工作，而在達到設定的低溫時拉簧帶動彈簧片4將觸點5、6斷開，使壓縮機停止工作 凸輪逆時針轉動會加大連桿9對彈簧7

14、的拉力，該拉力與彈性膜盒3共同控制彈簧片4的運動，故彈簧7上彈力的變化會改變設定的溫度第30頁，共41頁。火災報警器煙霧散射式火災報警器結構原理在沒有發(fā)生火災時，光電三極管收不到 LED 發(fā)出的光，呈現高電阻狀態(tài)。當發(fā)生火災時，產生大量煙霧，煙霧進入罩內后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小。與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報。原理工作第31頁，共41頁。測 力測物體加速度測物體角速度測 位 移拓展性研究第32頁，共41頁。例1.如圖所示為一種測定風作用力的儀器原理圖，圖中 P 為金屬球，懸掛在一細長裸金屬絲下面，O 是懸掛點，R0 是保護電阻，CD 是水平放置

15、的光滑電阻絲，與懸掛小球的細金屬絲始終保持良好接觸，無風時細金屬絲與電阻絲在 C 點接觸，此時電路中的電流為 I，有風時細金屬絲將偏轉一角度（與風力大小有關），細金屬絲與電阻絲在 C點接觸，已知風力方向水平向左，OC = h，CD = l，球的質量為 m，電阻絲單位長度的電阻為 k，電源內電阻和細金屬絲電阻均不計，金屬絲偏轉角時，電流表的示數為I ，此時風力大小為 F，試寫出：(1) 風力大小 F 與的關系式.(2) 風力大小 F 與電流表示數 I 的關系式.PCAOR0CDF = R0 + klIIR0kkmghh)(第33頁，共41頁。 例2. 慣性制導系統(tǒng)已廣泛應用于導彈工程中，這個系統(tǒng)

16、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示，沿導彈長度方向按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?；瑝K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，然后通過控制系統(tǒng)進行制導。設某段時間內導彈沿水平方向運動，指針向左偏離 O 點的距離為S，則這段時間內導彈的加速度 （ ）A. 方向向左，大小為 k S / mB方向向右，大小為 k S / mC方向向左，大小為 2k S / m D. 方向向右，大小為 2k S / m01010UPD第34頁，共41頁。若電位器（可變電阻）總長度為

17、l，其電阻均勻，兩端接在穩(wěn)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(tǒng)的信息源，為控制01010UP導彈運動狀態(tài)輸入信息，試寫出 U 與 a 的函數關系式。解答： S = ma/2k a = 2kS/mU =RxRU0U0Sl=mU02kla第35頁，共41頁。例3.飛機、航天器、潛艇的轉動角速度可用結構如圖所示的原理進行測量.當系統(tǒng)繞軸 OO轉動時，元件 A 發(fā)生位移并輸出相應的電壓信號，成為飛機、衛(wèi)星等的制導系統(tǒng)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A S PCB

18、UOO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(tǒng)靜止時 P 在 B 點，當系統(tǒng)以角速度 轉動時,試寫出輸出電壓 U 與的函數式。解答： 設彈簧伸長 x , 則 kx = m 2(l+x)x =m 2 lkm 2即設滑動變阻器單位長度的電阻為 r0 U = IRx =E x r0l r0=xlE U =E m 2km 2第36頁，共41頁。1. 用如圖示的電磁繼電器設計一個高溫報警器，要求是：正常情況綠燈亮，有險情時電鈴報警。可供選擇的器材如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學生用電源、繼電器、滑動變阻器、開關、導線。aedcb課堂練習第37頁，共41頁。2. 圖1為某一熱敏電阻R(電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感)的I-U關系曲線圖。 為了通過測量得到圖1所示I-U關系的完整曲線，在圖2和圖3兩個電路中應選擇的是圖 ；簡要說明理由： 。（電源電動勢為9V，內阻不計，滑線變阻器的阻值為0-100）在圖4電路中，電源電壓恒為9V，電流表讀數為70mA，定值電阻R1=250。由熱敏電阻的I-U關系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為_V；電阻R2的阻值為 。舉出一個可以應用熱敏電阻的例子：_。VA圖2VA圖3I/mAU/V1 2 3 4 5 6 7500圖110203040AR1R