第五章传感器 第5章传感器 1 3 传感器原理及应用 种类繁多的传感器 指纹考勤机 供应宝马温度传感器 离子感烟器 明火探测器 温度传感器 光电传感器 湿度传感器 机油压力传感器 超声波传感器 风速传感器 色标传感器 全自动血压机 自动旋转门 电子秤 电磁流量计 电子测温计 一 什么是传感器 传感器是指这样一些元件 它能够感受诸如位移 速度 压力 温度 湿度 流量 声强 光 化学成分等非电学量 并能把它们按照一定规律转换为电压 电流等电学量的一种组件 起自动控制作用 非电学量电学量 传感器 角度位移速度加速度压力温度湿度声强光照强度 电压电流电阻电容 二 传感器的种类 物理传感器 化学传感器 生物传感器 物理传感器 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测对象信息的传感器 如电容传感器 电感传感器 光电传感器 压电传感器等 其接受的是压力 声波 光等的物理信息 按感受信息的学科特点不同 化学传感器 是利用化学反应的原理 识别和检测信息 把化学物质的成分 浓度等转换为电信号的传感器 如气敏传感器 湿敏传感器等 在环境保护火灾报警 医疗卫生和家用电器方面有广泛应用 生物传感器 是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器 如组织传感器 细胞传感器 酶传感器等 其感受器中含有生命物质 代替嗅觉 味觉功能的传感器 三 传感器的工作原理 传感器 一般由敏感元件 转换器件 转换电路三部分组成 转换器件 敏感元件 转换电路 常见传感器及工作原理 1 光敏电阻 光电传感器 利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器 光传感器的应用 火灾报警器 1 光敏电阻的电阻率与光照强度有关 2 光敏电阻受到光照时电阻会变小 硫化镉 CdS 是一种半导体材料 无光照时 载流子极少 导电性能不好 光照增强 载流子增多 导电性能变好 3 光敏电阻将光学量 光照强度 转化为电学量 电阻 特性 例1 如图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记数一次D 信号处理系统每获得一次高电压就记数一次 AC 2 热敏电阻 热敏电阻能够把 这个热学量转换成为电阻这个电学量 温度 热敏电阻R T关系示意图 热敏电阻的阻值会随着温度的升高而 具有负温度系数 特性 减小 例2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 A 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 AC 例3 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 B 尝试体验 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 返回 ABC 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 3 力电传感器 电阻传感器测物体的质量 力传感器的应用 电子秤 例 某学生为了测量一个物体的质量 找到一个力电转换器 该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力 比例系数为k 如图所示 测量时先调节输入端的电压 使转换器空载时的输出电压为0 而后在其受压面上放上物体 即可测得与物体的质量成正比的输出电压U 现有下列器材 力电转换器 质量为m0的砝码 电压表 滑动变阻器 干电池一个 电键及导线若干 待测物体 可置于力电转换器的受压面上 请完成对该物体的测量m 1 设计一个电路 要求力电转换器的输入电压可调 并且使电压的调节范围尽可能大 在方框中画出完整的测量电路图 2 简要说明测量步骤 求出比例系数k 并测出待测物体的质量m 3 请设想实验中可能会出现的一个问题 1 设计电路如图 2 测量步骤与结果 调节滑动变阻器 使转换器的输出电压为零 将砝码放在转换器上 记下输出电压U0 将待测物放在转换器上 记下输出电压U由U0 km0g 得k U0 m0gU kmg 所以m m0U U0 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 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 角时 电流表的示数为I 此时风力大小为F 试写出 风力大小F与 的关系式 风力大小F与电流表示数I 的关系式 此装置所测定的最大风力是多少 例题3 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 B 电容式位移传感器 电容式位移传感器能够把物体 这个力学量转换为 这个电学量 位移 电容 1 测定角度 2 测定液面高度h 3 测定压力F 4 测定位移x 其它电容式传感器 例4 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 转动时 试写出输出电压U与 的函数式 解 设弹簧伸长x 则 x m 2l k m 2 设滑动变阻器单位长度的电阻为r1U IRx Exr1 lr1 Ex l U Em 2 k m 2 例5 将金属块m用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中 如图所示 在箱的上顶板和下底板装有压力传感器 箱可以沿竖直轨道运动 当箱以a 2 0m s2的加速度竖直向上做匀减速运动时 上顶板的传感器显示的压力为6 0N 下底板的传感器显示的压力为10 0N 取g 10m s2 1 若上顶板传感器的示数是下底板传感器的示数的一半 试判断箱的运动情况 2 要使上顶板传感器的示数为零 箱沿竖直方向运动的情况可能是怎样的 向上做匀减速运动a向下a 2m s2mg F1 F mam 0 5kg 上顶板示数是下底板示数的1 2弹簧长度不变F 10NF2 5Nmg F2 F ma2a2 0静止或匀速运动 上顶板示数为零 则弹簧变短F 10NF3 0F mg ma3a3 10m s2向上加速或向下减速 加速度a 10m s2 声传感器的应用 话筒 传感器应用实例 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 4 声电传感器例题1 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 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 三 温度传感器的应用 电熨斗 传感器应用实例 双金属片温度传感器 例2 日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置 它的热敏功能器是双金属片 你能说出启动器的工作原理吗 解析 日光灯启动器结构如图所示 内有一双金属片 热膨胀系数不同 开关闭合后 启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光 辉光发出的热量使U形动触片受热膨胀向外延伸 碰到静触片接触 电路接通 温度降低时 U动触片向里收缩 离开触点 切断电路 电熨斗的构造 思考与讨论 常温下两触点是接触还是分离 如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度 例3 电熨斗 利用双金属片温度传感器控制电路的通断 1 电饭锅中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 温度传感器的应用 电饭锅 防盗报警器 报警器里面用了一个干簧管 干簧管可以感知磁场而接通或断开电路 2 热敏电阻和金属热电阻 1 导电性能与温度的变化关系 半导体材料的导电性能随温度升高而变好 电阻率随温度升高而减小 金属导体的导电性能随温度升高而降低 电阻率随温度升高而增大 2 热敏电阻灵敏度高 但化学稳定性较差 测量范围较小 金属热电阻的化学稳定性较好 测量范围较大 但灵敏度较差 3 热敏电阻或金属热电阻能够将热学量 温度 转化为电阻这个电学量 例题3 下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 解答 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 1 测定角度 2 测定液面高度h 3 测定压力F 4 测定位移x 电容式传感器 电容式位移传感器 电容式位移传感器把力学量 位移 转换为电学量 电容 1 材料 半导体如 砷化铟 3 霍尔电压 K为比例系数 称为霍尔系数 其大小与元件的材料有关 一个霍尔元件的d k为定值 再保持I恒定 则UH的变化就与B成正比 因此霍尔元件又称磁敏元件 霍尔元件把磁学量 磁感应强度 转换为电学量 电压 五 霍尔元件 磁传感器 2 工作原理 自动检测与自动控制系统 在电力 冶金 石化 化工等流程工业中 生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程 通常建立24小时在线监测系统 大显身手的传感器 石化企业输油管道 储油罐等压力容器的破损和泄露检测 在汽车 机床 电机 发动机等产品出厂时 必须对其性能质量检测 图示为汽车出厂检验原理框图 测量参数包括润滑油温度 冷却水温度 燃油压力及发动机转速等 通过对抽样汽车的测试 工程师可以了解产品质量 汽车扭距测量机床加工精度测量 汽车与传感器高级轿车需要用传感器对温度 压力 位置 距离 转速 加速度 湿度 电磁 光电 振动等进行实时准确的测量 一般需要30 100种传感器 传感器与家用电器自动电饭锅 吸尘器 空调器 电子热水器 风干器 电熨斗 电风扇 洗衣机 洗碗机 照相机 电冰箱 电视机 录像机 家庭影院等 传感器在机器人上的应用 机械手 机器人中的传感器 转动 移动位置传感器 力传感器 视觉传感器 听觉传感器 接近距离传感器 触觉传感器 热觉传感器 嗅觉传感器 密歇根大学的机械手装配模型 机器人服务员 AGV自动送货车 香港理工AGV模型 传感器在生物医学上的应用 对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量 国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器 人类基因组计划的研究也大大促进了对酶