6.1.传感器及其工作原理.ppt

传感器及其应用,1、传感器的定义能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求把这些信息转换成可用输出信息的器件或装置。,2、传感器的分类,物理传感器、化学传感器、生物传感器,一般来说，用于完成视觉、听觉、触觉功能的传感器其接受的是光、声波、压力等的物理信息称物理传感器,代替嗅觉、味觉功能的传感器，则称化学传感器或生物传感器,（按感受信息的学科特点不同）,传感器工作原理图,(1)、温度传感器部件,（将温度高低转变成电信号）,4、常用的传感器部件,温度升高电阻增大,热敏电阻,一般随温度升高电阻减小,（半导体材料）,金属热电阻,半导体的导电机理,右图是一个温度传感器的原理示意图,Rt是一个热敏电阻器。试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的。,Rt,R,温度升高或降低导致Rt阻值发生变化，使电路中电流也发生变化，导致R上的电压也发生改变，因此电压表读数将会发生变化，从而就将温度的化转变为电信号。,思考方向：1、转变的电信号应该是哪个电学量？2、电压表测的是哪个电阻的电压？,（2）光敏传感器,手遮盖受光表面,实验,电阻小,电阻大,光敏电阻,电阻随光照的增强而减小,（半导体材料）,（3）气敏传感器部件,思考讨论:气敏传感器还可以应用于哪些场合?,1、家里2、公司3、商场4、企业等，需要检测是否存在有毒气体泄露影响人身安全的场合。,(4)干簧管,是一种能感知磁场的传感器,(5)电容式位移传感器,能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量,(6)霍尔元件,一个霍尔元件的d和k为定值,再保持I恒定,则UK的变化就与B成正比,把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量,填空：,力敏传感器,接受信息，并转化为电信号,.,接受信息，并转化为电信号,位移传感器,光敏传感器,接受信息，并转化为。,接受信息，并转化为。,声敏传感器,力,位置,电信号,光,电信号,声,传感器应用的一般模式,一、力传感器的应用电子秤,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.,装置:力传感器元件:金属梁和应变片,一、力传感器的应用电子秤,金属梁,两个应变片的形变引起电阻变化致使两个应变片的电压差变化,1.电子秤使用的测力装置是什么?它是由什么元件组成的?,3.应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？,2.简述力传感器的工作原理.,装置:力传感器组成:金属梁和应变片,一、力传感器的应用电子秤,两个应变片的形变引起电阻变化致使两个应变片的电压差变化,练习1.关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（）A.应变片常用半导体材料制成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,ABD,二、声传感器的应用话筒,阅读教材56页有关内容，思考并回答:（1）话筒的作用是什么？（2）说明动圈式话筒的工作原理和工作过程。（3）说明电容式话筒的工作原理和工作过程。这种话筒的优点是什么？（4）驻极体话筒的工作原理是什么？有何优点？,话筒的作用是把声信号转化为电信号,二、声传感器的应用话筒,膜片在声波下振动，使得与膜片相连的线圈中产生随声波变化的感应电流。,1、动圈式话筒：,音圈,二、声传感器的应用话筒,金属膜片,永久磁铁,工作原理:电磁感应.,练习2:(2003上海试题)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()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势,B,2、电容式话筒：,原理:Q是绝缘支架,薄金属膜M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,于是电阻两端就输出了与声音变化规律相同的电压.,优点：保真度好,绝缘支架,薄金属膜,固定电极,练习3：电容式话筒将声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是容器两板间的()A.距离变化B.正对面积变化C.介质变化D.电压变化,A,3、驻极体话筒：原理:电介质极化.(它由内部的驻极体塑料膜感受声波.工作电压:36V.),特点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，常用在盒式录音机、声控玩具等便宜的家电上,驻极体,空隙,较弱的声音,扩音器,扬声器,1.话筒的作用是把_信号转化为_信号。,2.动圈式话筒的工作原理：,声音,电磁感应,电,3.电容式话筒的工作原理：,电容发生变化,4.驻极式话筒的工作原理：,电介质极化,二、声传感器的应用话筒,三、温度传感器的应用:1.电熨斗,1.双金属片温度传感器,思考：双金属片温度传感器的作用是什么？,作用：控制电路的通断。,三、温度传感器的应用:1.电熨斗,原理:热胀冷缩常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。,(1)双金属片温度传感器,三、温度传感器的应用:1.电熨斗,电烫斗的构造：,(2)双金属片温度传感器在电熨斗中的应用,(2)双金属片温度传感器在电熨斗中的应用,思考与讨论：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？熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？,三、温度传感器的应用:1.电熨斗,思考与讨论：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？,答：常温下，上、下触点应是接触的，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，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用,(2)双金属片温度传感器在电熨斗中的应用,三、温度传感器的应用:1.电熨斗,思考与讨论：熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？,答：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,(2)双金属片温度传感器在电熨斗中的应用,三、温度传感器的应用:1.电熨斗,思考与讨论：1、为什么温度较高时压缩机自动工作，达到设定低温后就自动停止工作？2、凸轮为什么可以改变设定的温度？,氯甲烷及它的蒸气,三、温度传感器的应用:2.电冰箱,思考与讨论：1、应该把恒温箱中的加热器接在A、B还是C、D之间呢？2、要使箱内温度保持100，可变电阻R值应调节多大？,三、温度传感器的应用:3.恒温箱,问题:电饭锅烧饭饭熟后会自动断开?电饭锅烧水水开后能自动断开?,回顾在家煮饭的过程?,三、温度传感器的应用4.电饭锅,阅读教材第59页第1段，回答问题:(1)电饭锅中使用的温度传感器的主要元件是什么？(2)感温铁氧体的组成物质是什么？(3)感温铁氧体有何特点？(4)什么是“居里点”？,答:(1)感温铁氧体.,(2)氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成.,(3)常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引。温度达到约103时，失去铁磁性，不能被磁体吸引。,(4)使感温铁氧体失去铁磁性的温度，也叫居里温度.,三、温度传感器的应用4.电饭锅,构造,工作原理:,(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮?手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态?为什么?(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?(3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作?(4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电?,答:(1)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。,4.电饭锅,(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?,答:(2)水沸腾后,由于锅内保持1000C不变,故感温磁体仍与永磁体相吸,继续加热.故锅内大致保持1000C不变.,工作原理:,4.电饭锅,(3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？,答:(3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里点1030C”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,从而停止加热,工作原理:,4.电饭锅,(4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电?,答:(4)如果用电饭锅烧水,水沸腾后,锅内保持1000C不变,温度低于“居里点1030C”,电饭锅不能自动断电.只有水烧干后,温度升高到1030C才能自动断电.,工作原理:,4.电饭锅,叙述电饭锅的工作过程?,开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持1000C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，当温度升至“居里点1030C”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，从而停止加热,练习1：如图所示是电饭煲的电路图,S1是一个限温开关,手动闭合,当此开关的温度达到居里点(1030C)时会自动断开,S2是一个自动温控开关,当温度低于约700C时会自动闭合,温度高于800C时会自动断开,红灯是加热状态时的指示灯,黄灯是保温状态时的指示灯,限流电阻R1R2500,加热电阻丝R350,两灯电阻不计(1)根据电路分析,叙述电饭煲煮饭的全过程(包括加热和保温过程)(2)简要回答,如果不闭合开关S1,电饭煲能将饭煮熟吗?(3)计算加热和保温两种状态下,电饭煲的消耗功率之比.,12:1,三、温度传感器的应用5.测温仪,阅读教材第60页，思考并回答问题:(1)温度传感器测温仪有何优点?(2)常见的测温元件有哪些?,答:(1)可以远距离读取温度的数值.因为温度信号变成电信号后可以远距离传输.,(2)热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等,三、温度传感器的应用5.测温仪,非接触式红外测温仪,由于物体的温度不同，发射红外线的情况也不同，因此利用红外线敏感元件可以实现无接触测温,三、温度传感器的应用5.测温仪,热电偶:,T1T2,将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。,三、温度传感器的应用5.测温仪,将微机辅助实验系统所配的温度传感器与计算机连接,可以实现数据采集、处理、画图的智能化功能.,三、温度传感器的应用5.测温仪,在工农业生产中经常用到自动控制装置，而设计自动控制装置很多情况下要用到传感器如光电传感器，把光信号转化为电信号，然后对电信号进行放大，再将电信号输入到相应的装置，进而完成相应的自动控制。,例：光控门光控门原理光控开关电路,练习2：计算机光驱的主要部件是激光头,它可以发射脉冲激光信号,激光扫描光盘信息时,激光头利用光敏电阻自动计数将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统,再通过计算机显示出来相应的信息.光敏电阻的自动计数示意图如图所示,其中R1为光敏电阻,R2为定值电阻,此光电计数器的基本工作原理是()A、当有激光照射R1时,处理系统获得高电压;B、当有激光照射R1时,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;D、信号处理系统每获得一次高电压就计数一次.,BD,四、光传感器的应用1、机械式鼠标器,(1)机械式鼠标器的组成?哪个元件是光传感器?(2)机械式鼠标器的工作原理?,阅读教材第61页，思考并回答问题:,四、光传感器的应用1、机械式鼠标器,(1)机械式鼠标器的组成,滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管(光传感器),(2)机械式鼠标器的工作原理,鼠标器移动时，滚球运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号.计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。,许多会议室、宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器，火灾报警器是光传感器应用的又一实例。,四、光传感器的应用2、烟雾散射式火灾报警器,四、光传感器的应用2、烟雾散射式火灾报警器,阅读教材第61页，思考并回答问题:,(1)烟雾散射火灾报警器的组成?,(2)烟雾散射火灾报警器的工作原理?,四、光传感器的应用2、烟雾散射式火灾报警器,光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器,工作原理:报警器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,四、光传感器的应用2、烟雾散射式火灾报警器,常见的热传感器有:,热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等,小结:6.3传感器的应用(二),常见的光传感器有：光敏电阻、光电管、光电二极管及光电三极管,【例1】如图甲为在温度为100C左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20k，R2=10k，R3=40k，Rt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Uab0时，电压鉴别器使S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在_0C,【例2】图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为光电接收器，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接收并转换成电信号，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量和数据是，小车速度的表达式为v=；行程的表达式为=。,4传感器的应用实验,实验一:光控开关,实验原理及知识准备,（1）如图所示光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，RG为光敏电阻，R1的最大电阻为51k，R2为330k，试分析其工作原理。,（2）要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？,思考后看答案,思考后看答案,图乙中，用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？,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。,如图所示电磁继电器工作电路，图中虚线框内即为电磁继电器，D为动触点，E为静触点试分析电磁继电器的工作原理。,当线圈A中通电时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作电路接通，当线圈A中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电路,实验：,试说明控制电路的工作原理。,思考后看答案,实验二:温度报警器,上一节我们学习了火灾报警器，它是利用烟雾对光的散射作用，使火灾发出的光引起光敏电阻的阻值变化，从而达到报警的目的这种设计其敏感性是否值的怀疑，你想过吗？既然发生火灾时，环境温度要升高，我们能不能用温度传感器来做成火灾报警器呢？,如图所示为温度报警器的工作电路，试分析其工作原理。,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；当温度升高时，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，Rl的阻值不同，则报警温度不同。,怎样使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？,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。,？思考,三:课堂总结,光控开关,温度报警器,传感器的应用实例,四:实例探究,电磁继电器与自动控制,【例1】现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干如图所示，试设计一个温控电路要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程,分析：热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路,解析：（1）电路图如图所示,（2）工作过程：闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止供热当温度低于设计值，又重复前述过程,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（1.6V），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.,你答对了吗?,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1.6V，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。,你答对了吗?,天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭。,你答对了吗?