第六章：传感器

1、盒子里面有盒子里面有什么装置什么装置?小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁放到盒子上面，没有开关，但是把磁铁放到盒子上面，灯泡就发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。灯泡就发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。原理原理：当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以所以干簧管干簧管能起到能起到开关开关的作用！的作用！磁信号磁信号 电路的通断电路的通断 练习：课本练习：课本P64P64页，问页，问题和练习题和练习 T1T1 传感器是把传感器是把非电学物理量非电学物理量转换转换成易于测量、成易于测量、传输、处理的传输、处理的电学

2、量电学量（如电压、电流、电容等）（如电压、电流、电容等）的一种组件，的一种组件，起自动控制作用起自动控制作用。一、传感器的含义一、传感器的含义非电学量非电学量传感器传感器放大放大 转换转换 电路电路电学量电学量执行机构执行机构显示器显示器(指针式电表指针式电表)(数字屏数字屏)计算机系统计算机系统传感器应用的一般模式传感器应用的一般模式: 常见：位移、速度、压常见：位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声力、温度、湿度、流量、声强、光照度等传感器强、光照度等传感器1、光敏电阻、光敏电阻光敏电阻实物图光敏电阻实物图电阻小电阻小电阻大电阻大光敏电阻能够把光敏电阻能够把光照强弱光照强弱这个光学量转换这

3、个光学量转换为为电阻电阻这个电学量这个电学量特点特点作用作用例例1如图所示，如图所示，R1、R2为定值电阻，为定值电阻，L是小灯泡，是小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（为光敏电阻，当照射光强度增大时，（ ）A电压表的示数增大电压表的示数增大 BR2中电流减小中电流减小C小灯泡的功率增大小灯泡的功率增大 D电路的路端电压增大电路的路端电压增大R3 R I U1(=IR1) U2(=E-Ir-U1) U(=E-Ir) IL=I-I2。ABABC C动态分析动态分析“串反并同串反并同”当电阻增大时与之当电阻增大时与之串联的元件的串联的元件的I I、U U、P P减小。减小。与之并联的元件

4、的与之并联的元件的I I、U U、P P增大增大例例2.如图如图613所示为所示为光敏电阻光敏电阻自动计数器的示自动计数器的示意图，其中意图，其中R1为光敏电阻为光敏电阻，R2为为定值定值电阻此光电阻此光电计数器的基本工作原理是电计数器的基本工作原理是 （ ）A当有光照射当有光照射R1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当有光照射当有光照射R1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信号处理系统每获得一次低电压就计数一次信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D信号处理系统每获得一次高电压就计数一次信号处理系统每获得一次高电压就计数一次AR1R2信号信号处理处理系

5、统系统 光照光照R R1 1减小，减小，I I增大。增大。U U1 1=E-I(R=E-I(R2 2+r)+r)减小。减小。计工件。（高、低变计工件。（高、低变化一次计数一次）化一次计数一次）BDBD金属的电阻率随温度的升高而增金属的电阻率随温度的升高而增大大，电阻增大电阻增大，用金属丝可以制，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻，常作温度传感器，称为热电阻，常用的一种热电阻是用铂制作的。用的一种热电阻是用铂制作的。与金属不同，与金属不同，温度上升时温度上升时，有些，有些半导体的半导体的导电能力增强导电能力增强，电阻增电阻增小小，因此可以用半导体材料制作，因此可以用半导体材料制作热敏电阻热敏

6、电阻。与热敏电阻相比，金属热电阻的与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。灵敏度较差。热敏电阻或金属热热敏电阻或金属热电阻能够把电阻能够把温度温度这这个热学量转换为个热学量转换为电电阻阻这个电学量这个电学量特点特点作用作用2.热电传感器热电传感器 例例3 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、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）的温度控制、火警报

7、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：出现火情时温

8、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，B3 3. .电容式传感器电容式传感器 电容器的电容电容器的电容C决定于极板的正对面积决定于极板的正对面积S、极板间距离、极板间距离d以及极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，从而引起电容的变化，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，起这种则通过测定电容器的电容就可以

9、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。作用的电容器称为电容式传感器。图甲是测量图甲是测量 的电容式传感器，原理是的电容式传感器，原理是 。 定片定片甲甲角度角度由于由于CS，动片与定片间的角度，动片与定片间的角度发生发生变化时，引起变化时，引起S的变化，通过测出的变化，通过测出C的的变化，测量动片与定片间的夹角变化，测量动片与定片间的夹角图乙是测量图乙是测量 的电容式传感器，原理是的电容式传感器，原理是 。金属芯线金属芯线电介质电介质导电液体导电液体乙乙h液面高度液面高度h由于由于CS，h发生变化，金属芯线和发生变化，金属芯线和导电液体组成的电容发生变化，通过导电液体组成的

10、电容发生变化，通过测定测定C的变化，可以测量液面高度的变化，可以测量液面高度h 的变化的变化。（1）测定角度）测定角度： （2）测定液面高度）测定液面高度h： （3）测定压力）测定压力F： （4）测定位移）测定位移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液面上升液面上升正对面积正对面积变大变大测角度测角度变化变化测测压压力力变变化化测测位位移移变变化化图丙是测量图丙是测量 的电容式传感器，原理是的电容式传感器，原理是 。 固定电极固定电极可动电极可动电极F丙丙压力压力F由于由于C1/d，压

11、力，压力F 作用在可动电极上，引起极板间距作用在可动电极上，引起极板间距d 的变化，通过测出的变化，通过测出C的变化，测量压力的变化，测量压力F的变化。的变化。图丁是测量图丁是测量 的电容式传感器，原理是的电容式传感器，原理是 。 极板极板电介质电介质丁丁x位移位移x由于由于C 随着电介质进入极板间的长度发生变化，通过随着电介质进入极板间的长度发生变化，通过测出测出C的变化，测量位移的变化，测量位移x的变化。的变化。例例4 随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，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，机内的传感器洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱

12、动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿便驱动电热器加热，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 D被测物体在左右方向发生位移时，电介质板随之被测物体在左右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。在电容器两极板之间移动。物体位置的变化物体位置的变化，就转，就转换成了换成了电容电容的变化。的变化。如何确定物体的位置？如何确定物体的位置？如何检测电容的变化？如何检测电容的变化？在一个很小的矩形半导体在一

13、个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作（例如砷化铟）薄片上，制作4个个电极，就成了一个霍尔元件。电极，就成了一个霍尔元件。霍尔元件能够把霍尔元件能够把磁感应强度磁感应强度这个磁学量转换为这个磁学量转换为电电压压这个电学量这个电学量设霍尔元件长设霍尔元件长a a、宽、宽b b、厚、厚d d。原理：当薄片中载流子达到稳定状态时：原理：当薄片中载流子达到稳定状态时：F F洛洛=F=F电电=Eq=Eq作用：把磁感应强度（磁学量）作用：把磁感应强度（磁学量） 电压（电学量）电压（电学量）d dBIBIK KU U, ,nqnq1 1设K设K, ,nqdnqdBIBIU UnqbdnqbdI Iv

14、vnqbdv,nqbdv,nqsvnqsv沿I方向：I沿I方向：I , ,d dU Uq q垂直I方向：qvB垂直I方向：qvBH HH HH HK K为为霍霍尔尔系系数数d d为为薄薄片片厚厚度度, ,d dB BI IK K霍霍尔尔电电压压U UH HR RU U沿I方向：I沿I方向：I 1、传感器的概念：、传感器的概念：五、小结：五、小结：2、传感器的工作原理：、传感器的工作原理：3、敏感元件：、敏感元件：（1）光敏电阻光敏电阻 （光电传感器）（光电传感器）（2）热敏电阻和热电阻热敏电阻和热电阻 （ 温度传感器）温度传感器）（3）电容式传感器电容式传感器 （位移传感器）（位移传感器）（4

15、）霍尔元件霍尔元件 （磁传感器）（磁传感器）非电学量非电学量敏感元件敏感元件转换器件转换器件转换电转换电路路电学量电学量传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。 （5）干簧管（磁场传感器）干簧管（磁场传感器）传感器：采集信息，一般转化电学量传感器：采集信息，一般转化电学量思考思考: :1 1、应变式力传感器的组成部分？、应变式力传感器的组成部分？

16、2 2、应变式传感器的原理？、应变式传感器的原理？金属梁和金属梁和应变片应变片力学量力学量 电压电压三三 传感器的应用传感器的应用 （一一） 应变片发生形变时其电阻随之发生变化，应变片发生形变时其电阻随之发生变化，在恒定电流下，应变片是把形变（在恒定电流下，应变片是把形变（力学量力学量）转换为转换为电压电压（电学量）的元件。（电学量）的元件。金属梁金属梁U U1 1U U2 2双金属片双金属片温度传感器：温度传感器： 原理原理:热胀冷缩原理热胀冷缩原理常温下两触点分离常温下两触点分离。温度升高，两。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触

17、。发生变化，使触点接触。温度传感器制作材料、应用。温度传感器制作材料、应用。思考与讨论：思考与讨论：常温下两触点是接触还是分离？温度过高时双金属常温下两触点是接触还是分离？温度过高时双金属片将怎样作用？片将怎样作用？如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？电烫斗的构造电烫斗的构造调温旋钮调节升降螺丝，调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接升降，从而改变触点接触的难易，达到控制不触的难易，达到控制不同温度的目的。同温度的目的。（1 1）常温下，上、下触点应是接触的，但温度过）常温下，上、下触点应是接触的，

18、但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热温曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用（2 2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带

19、动弹性钢片升降，从而改变触点接触的降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的难易，达到控制在不同温度的目的（一）、温度传感器的应用（一）、温度传感器的应用电饭锅电饭锅1 温度传感器的主要元件是什么？温度传感器的主要元件是什么？ 感温铁氧体感温铁氧体 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？ 氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成 3 感温铁氧体有何特点？什么是感温铁氧体有何特点？什么是“居里居里点点”？ 常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约温度达到约103，失去铁磁

20、性，失去铁磁性 居里点居里点，又称，又称居里温度居里温度，即指，即指103。 四四 传感器的应用传感器的应用 （二）（二）电饭锅的构造电饭锅的构造1 开始煮饭时，用手压下开关按钮开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。2 水沸腾后，锅内大致保持水沸腾后，锅内大致保持100不变。不变。 3 饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至升至“居里点居里点103”时，感温磁体失去铁磁性时，感温磁体失去铁磁性，在弹，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离

21、，切断电源，从簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热而停止加热 思考与讨论思考与讨论:4 如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100不不变，温度低于变，温度低于“居里点居里点103”，电饭锅不能自动断电。，电饭锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到只有水烧干后，温度升高到103才能自动断电。才能自动断电。连贯地叙述电饭锅的工作过程连贯地叙述电饭锅的工作过程 ? 开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点

22、接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持持100不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至当温度升至“居里点居里点103”时，感温磁体失去铁磁性，时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热从而停止加热 （四）（四）光传感器的应用光传感器的应用火灾报警器火灾报警器哪个元件是光传感器哪个元件是光传感器?光电三极管是烟雾火警报警

23、器中的光传感器光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器 以以利用烟雾对光的散射利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器为例，简述其来工作的火灾报警器为例，简述其工作原理。工作原理。 报警器带孔的罩子内装有发光二极管报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和、光电三极管和不透明的挡板平时，光电三极管收不到不透明的挡板平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现发出的光，呈现高电阻状态高电阻状态烟雾进入罩内后对光有散射作用烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小与传感器连接的电路检测出射到光电三极管上，其电阻变小与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发

24、出警报这种变化，就会发出警报实验一实验一 : 光控开关光控开关实验原理及知识准备实验原理及知识准备 （1 1）如图所示光控电路，）如图所示光控电路，用发光二极管用发光二极管LEDLED模仿路灯，模仿路灯，R RG G为光敏电阻，为光敏电阻，R R1 1的最大电的最大电阻为阻为51 k51 k，R R2 2为为 330 k330 k，试分析其工作原理。试分析其工作原理。 五五 传感器的应用实验传感器的应用实验 白天，光强度大，白天，光强度大，RG电阻小，电阻小，A端电势低，端电势低，Y端电势高，端电势高，LED不不发光。发光。晚上，光强度小，晚上，光强度小，RG电阻电阻大，达到一定值，大，达到一

25、定值，A端电压端电压升至升至1.6v，A端电势突然变端电势突然变为低电势，为低电势，Y端高电势。端高电势。还还是是调调小小些些？为为什什么么？的的阻阻值值调调大大些些应应该该把把R R灯灯才才会会亮亮，2 2）要要想想在在天天更更暗暗时时路路1 1增增大大增增大大，则则R RR R欲欲使使天天更更暗暗时时灯灯才才亮亮，5 51 1. .6 61 1R RR R1 15 51 1. .6 6R RR RR R之之间间电电压压为为5 5V V，和和R RR R1 1G GG G1 1G G1 1G GG G1 1课本课本P63P63 图乙中，用白炽图乙中，用白炽灯模仿路灯，为何要灯模仿路灯，为何要用到继电器用到继电器？ 由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路。灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路。 如图所示为温度如图所示为温度报警器的工作电路，报警器的工作电路，试分析其工作原理试分析其工