高二物理選修3-2傳感器及其應(yīng)用()課件

第五章傳感器第六章傳感器1－3、傳感器原理及應(yīng)用種類繁多的傳感器指紋考勤機(jī)供應(yīng)寶馬溫度傳感器離子感煙器明火探測(cè)器溫度傳感器風(fēng)速傳感器色標(biāo)傳感器全自動(dòng)血壓機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門電子秤電磁流量計(jì)電子測(cè)溫計(jì)一、什么是傳感器?

傳感器是指這樣一些元件：它能夠感受諸如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光，化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量

的一種組件，起自動(dòng)控制作用

。二、傳感器的種類物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器物理傳感器：

利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測(cè)對(duì)象信息的傳感器。如電容傳感器、電感傳感器、光電傳感器、壓電傳感器等。其接受的是壓力、聲波、光等的物理信息。（按感受信息的學(xué)科特點(diǎn)不同）化學(xué)傳感器：是利用化學(xué)反應(yīng)的原理，識(shí)別和檢測(cè)信息，把化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。

如氣敏傳感器、濕敏傳感器等，在環(huán)境保護(hù)火災(zāi)報(bào)警、醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器方面有廣泛應(yīng)用。生物傳感器：是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。如組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅鞯取Ｆ涓惺芷髦泻猩镔|(zhì)，代替嗅覺、味覺功能的傳感器。轉(zhuǎn)換電路物理信息化學(xué)信息生物信息電信號(hào)敏感元件傳感器三、傳感器的工作原理常見傳感器及工作原理1、光敏電阻（光電傳感器）

利用煙霧對(duì)光的散射來工作的火災(zāi)報(bào)警器光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)警器（1）光敏電阻的電阻率與光照強(qiáng)度有關(guān)。（2）光敏電阻受到光照時(shí)電阻會(huì)變小。硫化鎘（CdS）是一種半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；光照增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好。（3）光敏電阻將光學(xué)量（光照強(qiáng)度）轉(zhuǎn)化為電學(xué)量（電阻）。特性：2、熱敏電阻熱敏電阻能夠把_____這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成為電阻這個(gè)電學(xué)量溫度熱敏電阻R-T關(guān)系示意圖RTo熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度的升高而_____，具有負(fù)溫度系數(shù)特性：減小例2有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件分別接入如圖所示電路中A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法正確的是（）ABA.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻B.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻C.用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻D.用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻AC例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R1R2R3AabErB

力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學(xué)信號(hào)（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇和宇宙飛船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等。

3.力電傳感器

電阻傳感器測(cè)物體的質(zhì)量EPASBR0APASBR0VEPASBR0VE力傳感器的應(yīng)用——電子秤金屬梁U1U2(1)

設(shè)計(jì)電路如圖

(2)測(cè)量步驟與結(jié)果:①調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零,②將砝碼放在轉(zhuǎn)換器上,記下輸出電壓U0,③將待測(cè)物放在轉(zhuǎn)換器上,記下輸出電壓U

由U0=km0g,得k=U0/m0gU=kmg,所以m=m0U/U0例題（風(fēng)力測(cè)定儀）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。③此裝置所測(cè)定的最大風(fēng)力是多少？R0OPDBθCA電源例題3：（2003上海考題）演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿p，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說法正確的是()A物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化B物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化C物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒有電流D物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒有示數(shù)B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（1）測(cè)定角度θ（2）測(cè)定液面高度h（3）測(cè)定壓力F（4）測(cè)定位移x

定片動(dòng)片θ電介質(zhì)金屬芯線導(dǎo)電液體待測(cè)壓力F固定電極可動(dòng)電極x極板極板電介質(zhì)其它電容式傳感器例4:可測(cè)量飛機(jī)、航天器、潛艇的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,其結(jié)構(gòu)如圖所示。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，電源的電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻不計(jì)?；瑒?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。ASPCBωOO′輸出電壓U解：設(shè)彈簧伸長(zhǎng)x,則∴x=mω2l／(k-m

ω2)設(shè)滑動(dòng)變阻器單位長(zhǎng)度的電阻為r1U=IRx=Exr1/

lr1=Ex/l∴U=Emω2

／(k-m

ω2)例5：將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個(gè)矩形的箱中，如圖所示，在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器，箱可以沿豎直軌道運(yùn)動(dòng)。當(dāng)箱以a=2.0m/s2的加速度豎直向上做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，上頂板的傳感器顯示的壓力為6.0N，下底板的傳感器顯示的壓力為10.0N。(取g=10m/s2)(1)若上頂板傳感器的示數(shù)是下底板傳感器的示數(shù)的一半，試判斷箱的運(yùn)動(dòng)情況。(2)要使上頂板傳感器的示數(shù)為零,箱沿豎直方向運(yùn)動(dòng)的情況可能是怎樣的？m原來（1）（2）解：mF=10NF1=6Nmga向上做勻減速運(yùn)動(dòng)a向下a=2m/s2mg+F1-F=mam=0.5kgFmgF2a2上頂板示數(shù)是下底板示數(shù)的1/2彈簧長(zhǎng)度不變F=10NF2=5Nmg+F2-F=ma2a2=0靜止或勻速運(yùn)動(dòng)Fmga3上頂板示數(shù)為零，則彈簧變短F≥10NF3=0F–mg=ma3a3≥10m/s2向上加速或向下減速，加速度a≥10m/s2。聲傳感器的應(yīng)用——話筒傳感器應(yīng)用實(shí)例（1）話筒的作用是什么？（2）說明動(dòng)圈式話筒的工作原理和工作過程。（3）說明電容式話筒的工作原理和工作過程。這種話筒的優(yōu)點(diǎn)是什么？（4）駐極體話筒的工作原理是什么？有何優(yōu)點(diǎn)？

4.聲電傳感器

例題1.（2003上海試題）唱卡拉OK用的話筒，內(nèi)有傳感器。其中有一種是動(dòng)圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。下列說法正確的是()A該傳感器是根據(jù)電流的磁效應(yīng)工作的B

該傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的C膜片振動(dòng)時(shí)，穿過金屬線圈的磁通量不變D膜片振動(dòng)時(shí)，金屬線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

B常溫下兩觸點(diǎn)分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點(diǎn)接觸。三、溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗傳感器應(yīng)用實(shí)例雙金屬片溫度傳感器：例2.日光燈的啟動(dòng)器也可看成是一個(gè)熱敏傳感裝置，它的熱敏功能器是雙金屬片，你能說出啟動(dòng)器的工作原理嗎？U形動(dòng)觸片靜觸片氖泡圖1解析：日光燈啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖所示，內(nèi)有一雙金屬片，熱膨脹系數(shù)不同。開關(guān)閉合后，啟動(dòng)器兩極之間有電壓使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光發(fā)出的熱量使U形動(dòng)觸片受熱膨脹向外延伸，碰到靜觸片接觸，電路接通；溫度降低時(shí)，U動(dòng)觸片向里收縮，離開觸點(diǎn)，切斷電路。電熨斗的構(gòu)造思考與討論：●常溫下兩觸點(diǎn)是接觸還是分離？●如何用調(diào)溫旋鈕來升高或降低電燙斗的工作溫度？例3.電熨斗：利用雙金屬片溫度傳感器控制電路的通斷.（1）電飯鍋中溫度傳感器的主要元件是什么？（2）感溫鐵氧體的組成物質(zhì)是什么？（3）感溫鐵氧體有何特點(diǎn)？（4）什么是“居里點(diǎn)”？溫度傳感器的應(yīng)用——電飯鍋防盜報(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、熱敏電阻和金屬熱電阻（1）導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能隨溫度升高而變好（電阻率隨溫度升高而減?。?；金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低（電阻率隨溫度升高而增大）。ORT金屬導(dǎo)線熱敏電阻（2）熱敏電阻靈敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測(cè)量范圍較?。唤饘贌犭娮璧幕瘜W(xué)穩(wěn)定性較好，測(cè)量范圍較大，但靈敏度較差。（3）熱敏電阻或金屬熱電阻能夠?qū)釋W(xué)量(溫度)轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量。例題3.下圖是一個(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?！窘獯稹繙囟壬呋蚪档蛯?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)。VRtR（1）測(cè)定角度θ（2）測(cè)定液面高度h（3）測(cè)定壓力F（4）測(cè)定位移x

定片動(dòng)片θ電介質(zhì)金屬芯線導(dǎo)電液體待測(cè)壓力F固定電極可動(dòng)電極x極板極板電介質(zhì)電容式傳感器電容式位移傳感器電容式位移傳感器把力學(xué)量（位移）轉(zhuǎn)換為電學(xué)量（電容）。示意圖被測(cè)物體x電容器極板電介質(zhì)板

（1）材料：半導(dǎo)體如：砷化銦CDFBEIUH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汛艑W(xué)量（磁感應(yīng)強(qiáng)度）轉(zhuǎn)換為電學(xué)量（電壓）。五、霍爾元件（磁傳感器）

（2）工作原理：自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。大顯身手的傳感器石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)在汽車、機(jī)床、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量檢測(cè)圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對(duì)抽樣汽車的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量汽車與傳感器

高級(jí)轎車需要用傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，一般需要30～100種傳感器。傳感器與家用電器

自動(dòng)電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院等。傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器：轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型機(jī)器人服務(wù)員AGV自動(dòng)送貨車香港理工AGV模型傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用對(duì)人體的健康狀況進(jìn)行診斷需要進(jìn)行多種生理參數(shù)的測(cè)量。國內(nèi)已經(jīng)成功地開發(fā)出了用于測(cè)量近紅外組織血氧參數(shù)的檢測(cè)儀器。人類基因組計(jì)劃的研究也大大促進(jìn)了對(duì)酶、免疫、微生物、細(xì)胞、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、嗅覺、味覺和體液組份以及血?dú)?、血壓、血流量、脈搏等傳感器的研究。醫(yī)學(xué)傳感器與航空及航天飛行器：控制在預(yù)定軌道上陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器航天傳感器與環(huán)境