重点班附加课件：传感器及其应用

1、2005年5月19日，“勇气号”火星车在火星古塞夫环形山附近拍摄到的落日图片 勇气号火星车勇气号火星车勇气号火星车勇气号火星车勇气号火星车勇气号火星车第一节第一节 传感器及其工作原理传感器及其工作原理1传感器概念：传感器概念： 传感器是能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等传感器是能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路通断的一类元件。或转化为电路通断的一类元件。2传感器常见分类：传感器常见分类： A按传感的物理量分类，可分为位移、力、光、速度、按传感的物理量分类，

2、可分为位移、力、光、速度、温度、温度、 流量、气体成份等传感器。流量、气体成份等传感器。 B按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、电压、 霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。3传感器的构成：敏感元件和转换电路传感器的构成：敏感元件和转换电路声音声音磁场磁场光光加速度加速度各各类类传传感感器器压强压强温度温度湿度湿度力力电信号 磁敏感元件磁敏感元件(干簧管中的簧片，霍尔元件）光敏感元件光敏感元件（光敏电阻）热敏感元件热敏感元件（热敏电阻和金属热电阻）磁场磁场电路通断电路通断干簧管干簧管光照光照电阻变化电阻变化

3、光敏电阻光敏电阻电阻变化电阻变化热敏电阻热敏电阻温度温度非电学非电学物理量物理量电学物理电学物理量或电路量或电路的通断的通断传感器传感器霍尔效应霍尔效应HIBUkd第二节和第三节传感器的应用第二节和第三节传感器的应用 传感器应用的一般模式示意图传感器应用的一般模式示意图 传 感传 感器器转换或放转换或放大电路大电路执行执行机构机构仪表仪表显示显示微机微机系统系统1 第二节：侧重力、声、热传器的应用第二节：侧重力、声、热传器的应用2第三节：侧重电、温度、光传感器的应用第三节：侧重电、温度、光传感器的应用第四节传感器的应用实验第四节传感器的应用实验 主要了解二极管、门电路和传感器的简单应用设计（如

4、主要了解二极管、门电路和传感器的简单应用设计（如集成门电路（斯密特触发器），单个的门电路）集成门电路（斯密特触发器），单个的门电路）力传感器力传感器受力端受力端固定端固定端F固定端固定端悬臂梁是一种弹性元件，悬臂梁是一种弹性元件，其一端固定，另一端受力。其一端固定，另一端受力。在受力时，悬臂梁的上、在受力时，悬臂梁的上、下表面将产生微小的形变下表面将产生微小的形变（应变）：上表面伸长，下（应变）：上表面伸长，下表面压缩。表面压缩。F应变片应变片当应变片产生形变时，金属电阻当应变片产生形变时，金属电阻丝被拉伸或压缩，它的电阻发生相丝被拉伸或压缩，它的电阻发生相应的变化。应的变化。受力方向受力方向

5、在悬臂梁产生应变的部位在悬臂梁产生应变的部位粘贴应变片，将悬臂梁的应粘贴应变片，将悬臂梁的应变传递到应变片上，从而将变传递到应变片上，从而将悬臂梁的应变转换为电阻的悬臂梁的应变转换为电阻的变化。变化。 测量电路测量电路应变片（应变片（R1、R4）应变片（应变片（R2、R3）悬臂梁的上、下表面各粘贴悬臂梁的上、下表面各粘贴2片应变片，它们的电片应变片，它们的电阻值相同。阻值相同。当悬臂梁受力时，梁的上表面伸长，当悬臂梁受力时，梁的上表面伸长，R1、R4电阻电阻值增大；梁的下表面压缩，值增大；梁的下表面压缩，R2、R3电阻值减小。此时电阻值减小。此时UAUB，输出与外力成正比的电压值（模拟信号）。

6、，输出与外力成正比的电压值（模拟信号）。 FR1R2R3R4UOUTUAUB（电阻应变式）电子计价秤（电阻应变式）电子计价秤悬臂梁悬臂梁应变片应变片固定端固定端力传感器力传感器在电子秤中的应用在电子秤中的应用悬臂梁悬臂梁应变片应变片电子计价秤中的应变片电子计价秤中的应变片应变片的应用应变片的应用将应变片粘贴在机械、桥梁、建筑等被测构件上，将应变片粘贴在机械、桥梁、建筑等被测构件上，通过专用的通过专用的“电阻应变仪电阻应变仪”直接测定其工作状态下的应直接测定其工作状态下的应力和变形情况。力和变形情况。对桥梁进行多点测量对桥梁进行多点测量F应变片应变片桥面崇明跃进桥检测崇明跃进桥检测布置应变片布置

7、应变片桥梁加载，检测桥梁的应变桥梁加载，检测桥梁的应变羽毛球馆穹顶结构的测试羽毛球馆穹顶结构的测试对斜拉桥钢索进行应变测试对斜拉桥钢索进行应变测试加速度传感器加速度传感器传感器内有一个用传感器内有一个用弹簧片支撑的质量块，弹簧片支撑的质量块，可以上下活动。可以上下活动。固定电极固定电极1与质量块与质量块之间构成电容之间构成电容C1质量块与固定电极质量块与固定电极2之间构成电容之间构成电容C2C1C2固定电极固定电极1质量块质量块固定电极固定电极2电容式加速度传感器的工作原理先将加速度的变化转换成质量块的位移，先将加速度的变化转换成质量块的位移，然后将位移转换成电容量的变化，最后将电然后将位移转

8、换成电容量的变化，最后将电容量转换成电压信号。容量转换成电压信号。C1C2d1d2加速度加速度位移位移电容量电容量电压电压三维加速度传感器三维加速度传感器信号处理电路信号处理电路加速度测试单元加速度测试单元显微镜下，显微镜下，利用利用MEMS技术加工的技术加工的 芯片芯片三维加速度传感器结构三维加速度传感器结构当框架作上下运动时，质量块当框架作上下运动时，质量块2、4不动，质量块不动，质量块1、3产生相反产生相反的前后位移。的前后位移。当框架作左右运动时，质量块当框架作左右运动时，质量块1、3不动，质量块不动，质量块2、4产生相反产生相反的前后位移。的前后位移。当框架作前后运动时，当框架作前后

9、运动时，4个质个质量块均产生位移。量块均产生位移。外形：外形：641.4（mm）AB质量块（活动电极）质量块（活动电极）斜支撑斜支撑固定电极固定电极活动电极活动电极向右运动，间隙向右运动，间隙加大，电容减小加大，电容减小向左运动，间隙减小，电容加大向左运动，间隙减小，电容加大斜支撑斜支撑活动电极的位移活动电极的位移AB活动电极活动电极固定电极固定电极固定电极固定电极光电鼠标中的图象传感器光电鼠标中的图象传感器当鼠标移动时，其移动轨迹通过图象传当鼠标移动时，其移动轨迹通过图象传感器，形成一组高速拍摄的连贯图像，鼠感器，形成一组高速拍摄的连贯图像，鼠标内的数字微处理器对图像特征点位置的标内的数字微

10、处理器对图像特征点位置的变化进行分析，判断鼠标的移动方向和移变化进行分析，判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。动距离，从而完成光标的定位。 图象传感器图象传感器CMOS芯片芯片 例例1：力传感器的应用力传感器的应用电子秤电子秤（1）电子秤使用的测力装置是什么？它是由什么元件组成的？（2）简述力传感器的工作原理。（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？（4）如何设计一个转换电路？例例2：温度传感器的应用温度传感器的应用电熨斗电熨斗思考与讨论：（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这

11、是如何使用调温旋钮来实现的？例3：热电偶热电偶的工作原理是：两种不同成分的导体两端经焊接、热电偶的工作原理是：两种不同成分的导体两端经焊接、形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端。形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端。当测量端和参比端存在温差时，就会在回路产生热电流，当测量端和参比端存在温差时，就会在回路产生热电流，接上显示仪表，仪表上就批示出热电偶所产生的热电流，接上显示仪表，仪表上就批示出热电偶所产生的热电流，接上显示仪表，仪表上就批示同热电偶所产生的热电动势接上显示仪表，仪表上就批示同热电偶所产生的热电动势的温度值。的温度值。例例4 4：电感式位移传感器：电感式位移

12、传感器1固定铁心固定铁心 2气隙气隙 3线圈线圈 4衔铁衔铁 5弹簧弹簧 6磁力线磁力线 7绝缘外壳绝缘外壳 自感传感器常见的形式有变隙式、变面积式和螺线管式等三种，自感传感器常见的形式有变隙式、变面积式和螺线管式等三种，原理示意图分别如图原理示意图分别如图a、b、c所示，螺线管式自感传感器外形如图所示，螺线管式自感传感器外形如图所示。所示。汽车防抱死汽车防抱死制动系统（制动系统（ABS）用霍尔传感器检测车轮的转速，以此控制制动系统，使车用霍尔传感器检测车轮的转速，以此控制制动系统，使车轮处于稍有转动、接近抱死的制动状态，以使车辆在紧急刹轮处于稍有转动、接近抱死的制动状态，以使车辆在紧急刹车时

13、不致失去方向性和稳定性。车时不致失去方向性和稳定性。霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器霍尔传感器 例例5 5：磁磁传传感感器器G压力传感器压力传感器踏板踏板BOA 例例6:有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器、压力传感器R（一个阻值可随压力大小（一个阻值可随压力大小而变化的电阻器）、显示体重的仪表而变化的电阻器）、显示体重的仪表G（其实质是电流表）。其中（其实质是电流表）。其中AO：BO=5：1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示

14、：。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：压力F/N050100150200250300300270240210180150120（1）利用表中数据归纳出）利用表中数据归纳出电阻电阻R随压力随压力F变化的函数关变化的函数关系式；系式；（2）该秤零刻度线（即踏）该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在板空载时的刻度线）应标在电流表刻度盘多少毫安处？电流表刻度盘多少毫安处？（3）如果某人站在踏板上，电流）如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为表刻度盘示数为20mA，这个人的，这个人的体重是多少？体重是多少？设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为端的电压恒为4.68