传感器 优秀公开课

第六章传感器[基本概念与基本规律]一、传感器及其工作原理1、传感器：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为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。2、传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换为电信号，通过输出部分输出，然后经控制器分析处理。常见的传感器有：力传感器、气敏传感器、超声波传感器、超声波传感器、磁敏传感器常见传感器元件：（1）光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好，光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。（2）金属热电阻和热敏电阻：金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。它能用把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而升高或降低。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。（3）电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。拓展：分析下列传感器的工作原理：４、霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量如图，霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压UH。这个电压叫霍尔电压，其决定式为。式中为薄片的厚度，为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关推导：二、传感器的应用实例1、力传感器的应用-----电子秤（1）电子秤理有应变片、电压放大器、模数转换器微处理器和数字显示器等器件.电阻应变片受到力的作用时,它的阻值会发生变化,把应变片放在合适的电路中,他能够把物体物体的形变这个力学量转换为电压这个电学量,因而电子秤是力传感器的应用.（2）工作原理:如图所示,弹簧钢制成的梁形元件右端固定,在梁的上下表面各贴一个应变片,在梁的自由端施力F,则梁发生弯曲,上表面拉伸,下表面压缩,上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。F越大,弯曲形变越大,应变片的阻值变化就越大.如果让应变片中通过的电流保持恒定,那末上面应变片两端的电压变大,下面应变片两端的电压变小.传感器把这两个电压的差值输出.外力越大,输出的电压差值也就越大。2、声传感器的应用----话筒（1）话筒是一种常用的声传感器,其作用是把声信号转换成电信号.话筒分为动圈式话筒，电容式话筒，驻极体话筒等几种.（2）电容式话筒:原理:是绝缘支架,薄金属膜和固定电极形成一个电容器,被直流电源充电.当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流,于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压.（3）驻极体话筒:它的特点是体积小,重量轻，价格便宜，灵敏度高.其工作原理同电容式话筒,只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜.3、温度传感器的应用-----电熨斗（1）在电熨斗中,装有双金属片温度传感器,其作用是控制电路的通断,当温度发生变化时,双金属片的膨胀系数不同,从而能控制电路的通断（2）电熨斗的自动控温原理:常温下,上、下触点是接触的,但温度过高时,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,重新接通电源,从而保持温度不变.4、温度传感器的应用——电饭锅（1）电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引，但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”（2）感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌、氧化铁粉末混合烧制而成的。5、温度传感器的应用——测温仪（1）温度传感器可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来。（2）测温仪中的测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等，还可以是红外线敏感元件等。6、光传感器的应用——鼠标器、火灾报警器（1）机械式鼠标器内的码盘两侧分别装有红外发射管和红外接受管，两个红外接受管就是两个光传感器。（2）有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的，其带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板。平时光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。烟雾进入罩内后对光有散射作用，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这种变化，就会发出警报。7、普通二极管和发光二极管

（1）二极管具有单向导电性。（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓和磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能。该类发光二极管的正向导通电压大于.8、晶体三极管（1）晶体三极管能够把微弱的信号放大。晶体三极管的三极分别为发射极e.基极b和集电极c.（2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对电极c的电流起了控制作用。9、逻辑电路（1）对于与门电路，只要一个输入端输入为“0”，则输出端一定是“０”；反之，只有当所有输入都同时为“1”，输出才是“１”。

（2）对于或门电路，只要有一个输入“1”，则输出一定是“１”；反之，只有当所有输入都同时为“0”时，输出才是“０”。（3）非门电路中，当输入为“０”时，输出总是“1”；当输入为“１”时，输出反而是“0（4）斯密特触发器是具有特殊功能的非门。【典型例题】例1、如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与一热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往Rt上擦一些酒精，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向＿＿＿＿（填“左”或“右”）移动。分析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏。＿左＿＿右＿＿例2、动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象,图甲所式是话筒原理,图乙所式是录音机的录音、放音原理图,由图可知：=1\*GB3①话筒工作时录音磁铁不动,线圈振动而产生感应电流.=2\*GB3②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流=3\*GB3③录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场=4\*GB3④录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场其中正确的是：A．②③④B．①②③C．①②④D．①③④乙甲乙甲解析:话筒的工作原理是,声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流.①正确,录音时,话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场,④正确,磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流,经放大电路后再送到扬声器中,②正确答案:C例3、设计制作一个温度自动控制装置(温控报警器):自己设计一个有热敏电阻作为传感器的简单自动控制试验.在图中画出设计电路,并进行连接解析:将由热敏电阻为主要元件的温控电路接入左侧接线柱,报警器接右侧接线柱.例4、电饭煲的工作原理如图所示，可分为两部分，即控制部分：由S1、S2、、R1和黄灯组成，工作（加热）部分；有发热电阻R3、、R2和红灯组成，S1是一个磁钢限温开关，手动闭合，当此开关的温度达到居里点（103℃）时，自动断开，且不能自动复位，S2是一个双金属片自动开关，当温度达到70℃—80℃时，自动断开，低于70℃时，自动闭合，红灯、黄灯是指示灯，通过其电流必须较小，所以R1、、R2起＿＿＿作用，R3是发热电阻，由于煮饭前温度低于70℃，所以S2是＿＿＿（填断开或闭合）。接通电源并按下S1后，黄灯熄而红灯亮，R3发热，当温度达到70℃—80℃时，S2断开，当温度达到103℃时饭熟，S1断开，，当温度降到70℃以下时，S2闭合，电饭煲处于保温状态，由以上描述可知R解析：R1、、R2起的作用是限流，防止指示灯因电流过大而烧毁，S2是自动控温开关，当温度低于70℃时自动闭合，当温度高于70℃—80℃时又自动断开，使电饭煲处于保温状态，由于R3的功率较大，因此R2﹥R3，由于开关S1必须当温度达到103℃时才自动断开，而水的沸点只有100例5、如图所示甲为在温度为10℃左右的环境中工作的自动恒温箱简图，箱内电阻R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R3＝40kΩ，R1为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示。当a、b端电压Uab＜0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab＞0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在＿＿＿℃。甲乙解析：设电路路端电压为U，当Uab＝0时，有UR1／（R1﹢R2）＝UR3／（R3﹢Rt） 解得Rt＝20kΩ 由图乙可知，当Rt＝20kΩ时，t＝35例6、如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接受器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接受并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；小车的速度表达式为v＝＿＿＿＿＿＿；行程的表达式为S＝＿＿＿＿＿＿＿。解析：小车的速度等于车轮的周长与单位时内车轮转动圈数的乘积，设车轮的半径为R，单位时间内车轮转动圈数为K，则有V＝2πRK。若齿轮的齿数为P，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数为P，已知单位时间内的脉冲数为n，所以单位时间内齿轮转动圈数为n∕p。由于齿轮与车轮同轴相连，他们在单位时间内转动圈数相等，即k＝n∕p由以上可得V＝2πR∕p。同理，设车轮转动的累计圈数为k，则有S＝2πRK，且k＝N∕p所以S＝2πRN∕p。可见，要测出小车的速度和行程，除单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N外，还必须测出车轮半径R和齿轮的齿数例7、如图所示的光控电路，用二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为,R2为，试分析其工作原理。解析：白天，光强度较大，光敏电阻ＲG电阻值较小，加在斯密特触发器Ａ端的电压较低，则输出端Ｙ输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，ＲG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端Ａ的电压上升到某个值，输出端Ｙ突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。拓展：要使路灯在天更暗时才会亮，应该怎样调节R1的阻值？并说明原理解析：要使在天更暗时路灯才会亮，应该把Ｒ1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端Ａ电压达到某个值（如），就需要ＲG的阻值达到更大，即天色更暗。例8、温度报警器电路如图所示，请说明其工作原理。解析：常温下，调整Ｒ1的阻值使斯密特触发器的输入端Ａ处于低电平，则输出端Ｙ处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度高时，热敏电阻ＲT阻值减小,斯密特触发器输入端Ａ电势升高，当达到某一值(高电平)，其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Ｒ1的阻值不同，则报警温度不同。拓展：要使例题中的热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应怎样调节Ｒ1的阻值？并说明原理。要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小Ｒ1的阻值，Ｒ1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高。第一讲传感器班级__________姓名___________1、下列器件不是应用温度传感器的是（B）A、电熨斗B、话筒C、电饭锅D、测温仪2、如图所示，R1为定值电阻，R2为热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时（C）R1两端的电压增大电流表的示数增大小灯泡的亮度变强小灯泡的亮度变弱3、如图所示，R3是光敏电阻，当开关Ｓ闭合后在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻R3时，则（A）Ａ、R3的电阻变小，a点电势高于b点电势Ｂ、R3的电阻变小，a点电势低于b点电势Ｃ、R3的电阻变小，a点电势等于b点电势Ｄ、R3的电阻变大，a点电势低于b点电势4、图是霍尔元件的工作原理示意图，用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持I恒定，则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是（ABD）A、将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，UH将变大B、在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C、在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D、改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化5、关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（BD）A、应变片是由导体材料制成B、当应变片的表面拉伸时,其电阻变大,反之变小C、传感器输出的是应变片上的电压D、外力越大,输出的电压差值也越大6、电容式话筒的保真度比动圈式话筒好,其工作原理如图所示,Q是绝缘支架,M是薄金属膜和固定电极N形成一个电容器,被直流电源充电,当声波使膜片振动时,电容发生变化,电路中形成变化的电流,当膜片向右运动的过程中有（AC）A、电容变大B、电容变小C、导线AB中有向左的电流D、导线AB中有向右的电流7、在家用电热灭蚊器中,电热部分主要元件是PTC元件,PTC元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器,其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示,由于这种特性,PTC元件具有发热、保温双重功能,对此,以下判断正确的是（D）①通电后,其电功率先增大,后减小②通电后,其电功率先减小,后增大③当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1不变④当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1和t2之间的某一值不变A、①③B、②③C、②④D、①④8、唱卡拉OK用的话筒,内有传感器,其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号.下列说法正确的是(B)A、该传感器是根据电流的磁效应工作的B、该传感器是根据电磁感应原理工作的C、膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变D、膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动9、图中电容式话筒右测固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的渡上金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b分别通过导线与恒定电源两极相接。声源s做位移X=Asin(200πt)的振动，则有（BD）A、a振动过程中a、b板之间的电场强度不变B、a振动过程中话筒会产生电磁波Ｃ、导线ac的电流的频率为1000HzＤ、a向右位移最大时a、b板形成的电流最大10、如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面渡有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在的电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容两极板间的（A）A、距离变化B、正对面积变化C、介质变化D、电压变化11、用遥控器调换电视频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化成电信号的过程，下列属于这类传感器的是（A）A、红外报警装置B、走廊照明灯的声控装置C、自动洗衣机中的压力传感装置D、电饭煲中控制加热和保温的温控器12、随着人们生活质量的提高，自动干手机已进入家庭洗手间，当人将湿手靠近干手机时，机内的传感器便驱动电热器加热，于是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，这是因为（A）Ａ、改变了湿度Ｂ、改变了温度Ｃ、改变了磁场Ｄ、改变了电容13、如图是电熨斗温度自动控制装置.常温时,上、下触点应是分离,还是接触?双金属片温度升高时,那一层形变大?假设原来温度上升到800C时,断开电源,现在要求解析：(1).常温时,上下触点接触,使电路接通,电热丝工作.(2).双金属片的上面一层形变大.(3).应向上调节调温旋钮,双金属片受热时,易使触点分离.14、某学生为了测量一物体的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输