傳感器及其應(yīng)用88951課件

第六章傳感器列舉生活中的一些自動(dòng)控制實(shí)例，

遙控器控制電視開關(guān)；日光控制路燈的開關(guān)聲音強(qiáng)弱控制走廊照明燈開關(guān)；自動(dòng)門安檢門等

音樂茶杯：茶杯平放桌上時(shí)，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(guān)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(qiáng)度的控制。光照變化（光強(qiáng)變化）光照時(shí)光敏電阻阻值減小電路接通，音樂響起。

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(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。非電學(xué)量敏感元件轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換電路電學(xué)量傳感器的工作原理

：光電傳感器機(jī)油壓力傳感器超聲波傳感器常見傳感器電子秤離子感煙器明火探測(cè)器溫度傳感器濕度傳感器防盜報(bào)警器報(bào)警器里面用了一個(gè)干簧管，干簧管可以感知磁場(chǎng)而接通或斷開電路。2、光敏電阻

演示實(shí)驗(yàn)：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(qiáng)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(qiáng)度有關(guān)。光敏電阻受到光照時(shí)電阻會(huì)變?。?）光敏電阻是一種用硫化鎘半導(dǎo)體材料做成的，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好。（3）光敏電阻能夠?qū)⒐鈱W(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。Ω例1、如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻．此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是（）A．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓B．當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓C．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次D．信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次ACV例題2、如圖是一個(gè)溫度傳感器的原理示意圖,Rt是一個(gè)熱敏電阻器。試說明傳感器是如何把溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的。RtR溫度升高或降低導(dǎo)致Rt阻值發(fā)生變化，使電路中電流也發(fā)生變化，導(dǎo)致R上的電壓也發(fā)生改變，因此電壓表讀數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，從而就將溫度的化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。思考方向：1、兩電阻采取什么連接方式？2、轉(zhuǎn)變的電信號(hào)應(yīng)該是哪個(gè)電學(xué)量？3、電壓表測(cè)的是哪個(gè)電阻的電壓？例題3如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示意圖。其中R2為用半導(dǎo)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(bào)警器。當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)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變大，U變小R1R2R3AabErB4、電容式位移傳感器電容式位移傳感器能夠把物體_____這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為_____這個(gè)電學(xué)量位移電容電容式位移傳感器示意圖被測(cè)物體x電容器極板電介質(zhì)板例題4

隨著生活質(zhì)量的提高，自動(dòng)干手機(jī)已進(jìn)入家庭，洗手后，將濕手靠近自動(dòng)干手機(jī)，機(jī)內(nèi)的傳感器便驅(qū)動(dòng)電熱器加熱，有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出，將濕手烘干。手靠近干手機(jī)能使傳感器工作，是因?yàn)椋ǎ〢.改變了濕度B.改變了溫度C.改變了磁場(chǎng)D.改變了電容

D（1）材料：半導(dǎo)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(shù)，稱為霍爾系數(shù)其大小與元件的材料有關(guān)。一個(gè)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(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為____這個(gè)電學(xué)量磁感應(yīng)強(qiáng)度電壓5.霍爾元件例題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(shù)，對(duì)于一個(gè)霍爾元件d、k為定值，如果保持電流I恒定，則可以驗(yàn)證UH隨B的變化情況．以下說法中正確的是

()A．將永磁體的一個(gè)磁極逐漸靠近霍爾元件的工作面時(shí)，UH將變大B．在測(cè)定地球兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)保持水平C．在測(cè)定地球赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，霍爾元件的工作面應(yīng)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機(jī)理半導(dǎo)體材料應(yīng)變片金屬梁上下表面各貼一個(gè)應(yīng)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(yīng)變F越大應(yīng)變片中R變化越大I

恒定輸出電壓差大例題6某學(xué)生為了測(cè)量一個(gè)物體的質(zhì)量，找到一個(gè)力電轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓正比于受壓面受到的壓力（比例系數(shù)為k）如圖所示，測(cè)量時(shí)先調(diào)節(jié)輸入端的電壓，使轉(zhuǎn)換器空載時(shí)的輸出電壓為0；而后在其受壓面上放上物體，即可測(cè)得與物體的質(zhì)量成正比的輸出電壓U?，F(xiàn)有下列器材：力電轉(zhuǎn)換器、質(zhì)量為m0的砝碼、電壓表、滑動(dòng)變阻器、干電池一個(gè)、電鍵及導(dǎo)線若干、待測(cè)物體（可置于力電轉(zhuǎn)換器的受壓面上）。請(qǐng)完成對(duì)該物體的測(cè)量m。（1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要求力轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可調(diào)，并且使電壓的調(diào)節(jié)范圍盡可能大，在方框中畫出完整的測(cè)量電路圖。（2）簡(jiǎn)要說明測(cè)量步驟，求出比例系數(shù)k，并測(cè)出待測(cè)物體的質(zhì)量m。（3）請(qǐng)?jiān)O(shè)想實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)問題。力電轉(zhuǎn)換器受壓面_++_輸出輸入力電轉(zhuǎn)換器受壓面_++_V(1)電路設(shè)計(jì)(2)測(cè)量步驟調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零。將質(zhì)量為m0

的砝碼放在轉(zhuǎn)換器上，記下輸出電壓U0。將待測(cè)物體放在轉(zhuǎn)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(xiàn)的問題因電源電壓不夠而輸出電壓調(diào)不到零待測(cè)物體質(zhì)量超出轉(zhuǎn)換器量程絕緣支架電容式話筒薄金屬膜M固定電極N構(gòu)成電容器充電直流電源膜片M聲波趨動(dòng)振動(dòng)電容變化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)律相同的電壓例題7.電容式話筒的保真度比動(dòng)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(gè)電容器,被直流電源充電,當(dāng)聲波使膜片振動(dòng)時(shí),電容發(fā)生變化,電路中形成變化的電流,當(dāng)膜片向右運(yùn)動(dòng)的過程中有（）

A電容變大

B電容變小

C導(dǎo)線AB中有向左的電流

D導(dǎo)線AB中有向右的電流AC8.溫度傳感器電熨斗原理圖雙金屬片溫控原理例8、如圖所示是電飯煲的電路圖，S1是一個(gè)控溫開關(guān)，手動(dòng)閉合后，當(dāng)此開關(guān)溫度達(dá)到居里點(diǎn)（103℃）時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開。S2是一個(gè)自動(dòng)控溫開關(guān)，當(dāng)溫度低于70℃時(shí)會(huì)自動(dòng)閉合；溫度高于80℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開。紅燈是加熱時(shí)的指示燈，黃燈是保溫時(shí)的指示燈。分流電阻R1＝R2＝500Ω，計(jì)算加熱電阻絲R3＝50Ω，兩燈電阻不計(jì)。（1）分析電飯煲的工作原理。（2）計(jì)算加熱和保溫兩種狀態(tài)下消耗的電功率之比。（3）簡(jiǎn)要回答，如果不閉合開關(guān)S1，能將飯煮熟嗎？冰箱溫度控制器M1測(cè)溫泡2細(xì)管3彈性金屬盒4彈簧片5動(dòng)觸點(diǎn)6靜觸點(diǎn)7拉桿8凸輪9連桿冰箱內(nèi)溫度較高時(shí)，密封系統(tǒng)中的壓強(qiáng)增大，盆體膨脹，膜盒3通過小柱體帶動(dòng)彈簧片4，使動(dòng)觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6接觸，控制壓縮機(jī)自動(dòng)開始工作，而在達(dá)到設(shè)定的低溫時(shí)拉簧帶動(dòng)彈簧片4將觸點(diǎn)5、6斷開，使壓縮機(jī)停止工作．凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)加大連桿9對(duì)彈簧7的拉力，該拉力與彈性膜盒3共同控制彈簧片4的運(yùn)動(dòng)，故彈簧7上彈力的變化會(huì)改變?cè)O(shè)定的溫度．火災(zāi)報(bào)警器煙霧散射式火災(zāi)報(bào)警器結(jié)構(gòu)原理在沒有發(fā)生火災(zāi)時(shí)，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧進(jìn)入罩內(nèi)后對(duì)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(cè)出這種變化，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。原理工作測(cè)力測(cè)物體加速度測(cè)物體角速度測(cè)位移拓展性研究例1.如圖所示為一種測(cè)定風(fēng)作用力的儀器原理圖，圖中P為金屬球，懸掛在一細(xì)長(zhǎng)裸金屬絲下面，O

是懸掛點(diǎn)，R0

是保護(hù)電阻，CD是水平放置的光滑電阻絲，與懸掛小球的細(xì)金屬絲始終保持良好接觸，無風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲與電阻絲在C點(diǎn)接觸，此時(shí)電路中的電流為I，有風(fēng)時(shí)細(xì)金屬絲將偏轉(zhuǎn)一角度θ（θ與風(fēng)力大小有關(guān)），細(xì)金屬絲與電阻絲在C′點(diǎn)接觸，已知風(fēng)力方向水平向左，OC=h，CD=l，球的質(zhì)量為

m，電阻絲單位長(zhǎng)度的電阻為k，電源內(nèi)電阻和細(xì)金屬絲電阻均不計(jì)，金屬絲偏轉(zhuǎn)θ角時(shí)，電流表的示數(shù)為I′，此時(shí)風(fēng)力大小為F，試寫出：(1)風(fēng)力大小F

與θ的關(guān)系式.(2)風(fēng)力大小F

與電流表示數(shù)I′

的關(guān)系式.PC′AOR0CDθF=R0+klI′I—R0kkmghh)(

例2.

慣性制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈工程中，這個(gè)系統(tǒng)的重要元件是加速度計(jì)。加速度計(jì)的構(gòu)造和原理的示意圖如圖示，沿導(dǎo)彈長(zhǎng)度方向按裝的固定光滑桿上套一個(gè)質(zhì)量為m

的滑塊，滑塊的兩側(cè)分別與勁度系數(shù)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(zhǎng)度。滑塊上有指針，可通過標(biāo)尺測(cè)出滑塊的位移，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)。設(shè)某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈沿水平方向運(yùn)動(dòng)，指針向左偏離O

點(diǎn)的距離為S，則這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈的加速度（）A.方向向左，大小為kS/mB．方向向右，大小為kS/mC．方向向左，大小為2kS/m

D.方向向右，大小為2kS/m01010UPD若電位器（可變電阻）總長(zhǎng)度為l，其電阻均勻，兩端接在穩(wěn)壓電源U0

上，當(dāng)導(dǎo)彈以加速度a

沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與滑塊連接的滑動(dòng)片P

產(chǎn)生位移，此時(shí)可輸出一個(gè)電信號(hào)U，作為導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源，為控制01010UP導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸入信息，試寫出U

與a

的函數(shù)關(guān)系式。解答：∴S=ma/2k∵a=2kS/mU=RxRU0U0Sl==mU02kla例3.飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可用結(jié)構(gòu)如圖所示的原理進(jìn)行測(cè)量.當(dāng)系統(tǒng)繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，元件A

發(fā)生位移并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，成為飛機(jī)、衛(wèi)星等的制導(dǎo)系統(tǒng)的信息源。已知A

的質(zhì)量為m，彈簧的勁度系數(shù)為k、自然長(zhǎng)度為l，電Aω

S

PCBUO′O源的電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻不計(jì).滑動(dòng)變阻器總長(zhǎng)也為l,電阻分布均勻,系統(tǒng)靜止時(shí)P

在B

點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),試寫出輸出電壓U

與ω的函數(shù)式。解答：設(shè)彈簧伸長(zhǎng)x,則kx=mω2(l+x)x=mω2l—kmω2即設(shè)滑動(dòng)變阻器單位長(zhǎng)度的電阻為r0

U=IRx=Exr0l

r0=xlE∴

U=Emω2k—mω21.

用如圖示的電磁繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)高溫報(bào)警器，要求是：正常情況綠燈亮，有險(xiǎn)情時(shí)電鈴報(bào)警?？晒┻x擇的器材如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學(xué)生用電源、繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線。aedcb課堂練習(xí)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(duì)溫度很敏感)的I-U關(guān)系曲線圖。⑴為了通過測(cè)量得到圖1所示I-U關(guān)系的完整曲線，在圖2和圖3兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖

；簡(jiǎn)要說明理由：

。（電源電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)阻不計(jì)，滑線變阻器的阻值為0-100Ω）⑵在圖4電路中，電源電壓恒為9V，電流表讀數(shù)為70mA，定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關(guān)系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為________V；電阻R2的阻值為

Ω。⑶舉出一個(gè)可以應(yīng)用熱敏電阻的例子：_____________。VA圖2VA圖3I/mAU/V1234567500圖110203040AR1R2熱敏電阻圖4R9V2電壓可從0V調(diào)到所需電壓，調(diào)節(jié)范圍較大5.2111.6—112.0熱敏溫度計(jì)3.如圖所示甲為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的自動(dòng)恒溫箱簡(jiǎn)圖，箱內(nèi)電阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，R1為熱敏電阻，它的電阻隨溫度變化的圖線如圖