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第六章传感器传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。一、传感器的含义非电学量传感器放大转换电路电学量执行机构显示器(指针式电表)(数字屏)计算机系统传感器应用的一般模式:传感器温度传感器意义：传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）或电路的通断的一种组件。起自动控制作用。机械鼠标器：火灾报警器：光控开关：光传感器敏感元件光敏电阻：是一种能感知光强的传感器，电阻随光照的增强而减小热敏电阻：是一种能感知温度的传感器，电阻一般随温度升高电阻减小金属热电阻：是一种能感知温度的传感器，温度升高电阻增大霍尔元件：是一种能感知磁场强弱的传感器电容式位移传感器：是一种能感知位移变化的传感器干簧管：一种能感知磁场存在的传感器常见传感器及应用力传感器----电子秤：将应变片的形变量转化为电压差声传感器----话筒：将声学量转化为电学量电熨斗：双金属片温度传感器的作用:控制电路的通断电饭锅：双金属片温度传感器的作用:控制电路的通断测温仪：将温度转化为电学量（不同温度发射红外线不同）温度报警器：二、常用的几种传感器1、干簧管2、光敏电阻3、热敏电阻4、金属热电阻5、电容式位移传感器6、霍尔元件是一种能感知磁场的传感器电阻随光照的增强而减小温度升高电阻增大一般随温度升高电阻减小（半导体材料）（半导体材料）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（）A、R1两端的电压增大B、电流表的示数增大C、小灯泡的亮度变强D、小灯泡的亮度变弱C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、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A例1．如图所示，R1、R2为定值电阻，L是小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时，（）A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大例3有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（）ABA.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻C.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻例2.如图6－1－3所示为光敏电阻自动计数器的示意图，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．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B．当有光照射R1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D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次AR1R2信号处理系统待测压力F固定电极膜片电极例5．传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（）A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化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。4、霍尔元件NMFBEIUH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d为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关HIBUkd光控开关的工作原理：如图所示，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。要想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1．6V)，就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗．温度报警器的工作原理：如图所示，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，R1的阻值不同，则报警温度不同．三、传感器的分类1.力电传感器力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。传感器应用实例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（几何量）转换为电压（电学量）的元件。一、力传感器的应用——电子秤金属梁U1U2形变（力学量）电压（电学量）转换南航附属高中-房坚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.应变片1、动圈式话筒：膜片在声波下振动，使得与膜片相连的线圈中产生周期性变化的感应电流。二、声传感器的应用——话筒2、电容式话筒：金属膜片M和固定电极N形成一个电容器,M在声波作用下振动,电容器的电容作周期性变化，电阻R两端的电压也做相应的周期性变化。传感器应用实例绝缘支架唱卡拉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B动圈式话筒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、距离变化B、正对面积变化C、介质变化D、电压变化电容式话筒A电烫斗的构造思考与讨论：常温下两触点是接触还是分离？如何用调温旋钮升高或降低电烫斗工作温度？M四、温度传感器的应用——冰箱温度控制器4、弹簧片1、测温泡2、细管3、弹性金属盒5、动触点6、静触点7、拉杆8、凸轮9、连杆思考与讨论：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？氯甲烷及它的蒸气六、加速度计1、两个电池的电动势一样大2、滑片在中间位置电压表的读数为零3、P点电势高与Q点时，指针向右偏转试题举例（1）测物体的质量EPASBR0APASBR0VEPASBR0VE角速度计（2）测物体加（角）速度可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速度,其结构如图所示。当系统绕轴OO′转动时，元件A发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等的制导系统的信息源。已知A的质量为m，弹簧的劲度系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计。滑动变阻器总长也为l，电阻分布均匀，系统静止时P在B点，当系统以角速度ω转动时，试写出输出电压U与ω的函数式。ASPCBωOO′输出电压U解：设弹簧伸长x,则kx=mω2(l+x)∴x=mω2l／(k-mω2)设滑动变阻器单位长度的电阻为r1U=IRx=Exr1/lr1=Ex/l∴U=Emω2／(k-mω2)返回例1.惯性制导系统已广泛应用于导弹工程中，这个系统的重要元件是加速度计。加速度计的构造和原理的示意图如图示，沿导弹长度方向按装的固定光滑杆上套一个质量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止，弹簧处于自然长度。滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导。1.设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为S，则这段时间内导弹的加速度（）A.方向向左，大小为kS/mB．方向向右，大小为kS/mC．方向向左，大小为2kS/mD.方向向右，大小为2kS/mD01010UP2.若电位器（可变电阻）总长度为L，其电阻均匀，两端接在稳压电源U0上，当导弹以加速度a沿水平方向运动时，与滑块连接的滑动片P产生位移，此时可输出一个电信号U，作为导弹惯性制导系统的信息源，为控制导弹运动状态输入信息，试写出U与a的函数关系式。01010UPU0解：a=2kS/m∴S=ma/2kU=U0Rx/R=U0S/L=maU0/2kL=mU0a/2kL∝a（3）测力例题：（风力测定仪）如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中P为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O是悬挂点，R0是保护电阻，CD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在C点接触，此时电路中的电流为I，有风时细金属丝将偏转一角度θ（θ与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在C/点接触，已知风力方向水平向左，OC=h，CD=L，球的质量为M，电阻丝单位长度的电阻为k，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转θ角时，电流表的示数为I/，此时风力大小为F，试写出：①风力大小F与θ的关系式；②风力大小F与电流表示数I/的关系式。③此装置所测定的最大风力是多少？R0OPDC/θCA电源（4）测位移例题：（2003上海考题）演示位移传感器的工作原理如右图示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是()A.物体M运动时，电源内的电流会发生变化B.物体M运动时，电压表的示数会发生变化C.物体M不动时，电路中没有电流D.物体M不动时，电压表没有示数B2。热电传感器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、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。例题：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2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，a、b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I、报警器两端的电压U的变化情况是（）A.I变大，U变大B.I变小，U变小C.I变小，U变大D.I变大，U变小R1R2R3AabEr解：出现火情时温度升高，R2减小，R总减小，I总增大，Uab减小，U并减小，IA减小，B３.光电传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。例题：（新教材2003天津理综）如图，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流