1 1 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 第六章第六章 传感器传感器 一、什么是传感器一、什么是传感器（1 1）什么是传感器？）什么是传感器？（2 2）传感器的作用是什么？）传感器的作用是什么？传传感感器器是是指指这这样样一一类类元元件件：它它能能够够感感知知诸诸如如力力、温温度度、光光、声声、化化学学成成分分等等非非电电学学量量，并并把把它它们们按按照照一一定定的的规规律律转转化化成成电电压压、电电流流等等电学量，或转化为电学量，或转化为电路的通断电路的通断传传感感器器的的作作用用是是把把非非电电学学量量转转化化为为电电学学量量或或电电路路的的通通断断，从从而而实实现现很很方方便便地地测测量量、传传输输、处理和控制处理和控制实验：实验：实验：实验：小小盒盒子子 A 的的侧侧面面露露出出一一个个小小灯灯泡泡，盒盒外外没没有有开开关关，但但是是把把磁磁铁铁 B 放放到到盒盒子子上上面面灯灯泡泡就就发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。盒子里有什么装置？盒子里有什么装置？(干簧管）干簧管） 非非 电电 学学 量量 传传 感感 器器 电电 学学 量量 角度角度位移位移速度速度压力压力温度温度湿度湿度声强声强光照光照传传 感感 器器电压电压电流电流电阻电阻电容电容一、什么是传感器一、什么是传感器自自动动水水龙龙头头火灾报警器火灾报警器酒酒精精测测试试仪仪干干手手机机（1 1）光敏电阻的电阻率与什么有关？）光敏电阻的电阻率与什么有关？（2 2）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样解释？解释？（3 3）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？光敏电阻的光敏电阻的电阻率与光照强度有关电阻率与光照强度有关。光敏电阻受到光敏电阻受到光照时电阻会变小光照时电阻会变小. .是一种半导是一种半导体材料体材料, ,无光照时无光照时, ,载流子极少载流子极少, ,导电性能不好导电性能不好; ;随随着着光照增强光照增强, ,载流子增多载流子增多, ,导电性能变好导电性能变好光敏电阻能够将光敏电阻能够将光学量光学量转化为转化为电阻电阻这个电学量这个电学量二、光敏电阻二、光敏电阻现象：光敏电阻在被光照射时电阻发生明显现象：光敏电阻在被光照射时电阻发生明显变化。普通电阻则不会发生变化。变化。普通电阻则不会发生变化。三热敏电阻和金属热电阻三热敏电阻和金属热电阻（1 1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否相同？的变化关系是否相同？（2 2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？（3 3）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？什么量？不相同不相同金属导体的导电性能随温度升高而降低金属导体的导电性能随温度升高而降低半导体材料的导电性能随温度升高而变好半导体材料的导电性能随温度升高而变好热敏电阻热敏电阻灵敏度高灵敏度高, ,但但化学稳定性较差化学稳定性较差, ,测测量范围较小量范围较小; ;金属热电阻的化学稳定性较好金属热电阻的化学稳定性较好, ,测测量范围较大量范围较大, ,但灵敏度较差但灵敏度较差将将热学量热学量( (温度温度) )转化为转化为电阻电阻这个电学量这个电学量金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻 金属的电阻率随温度的金属的电阻率随温度的 升升高而增大，用金属丝可以制作高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。常用的一种热电温度传感器。常用的一种热电阻是用铂制作的阻是用铂制作的。RT热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 有些半导体在温度上有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰和有一种热敏电阻是用氧化锰和氧化铜混合烧结而成的。氧化铜混合烧结而成的。热敏电阻或金属热电阻热敏电阻或金属热电阻能够将热学量转化为电能够将热学量转化为电阻这个电学量阻这个电学量 一个确定的霍尔元件的一个确定的霍尔元件的d d、n n、q q为定值，为定值，再保持再保持I I不变，则不变，则U UH H的变化就与的变化就与B B成正比。这样，成正比。这样，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。为电压这个电学量。霍尔元件霍尔元件3 3、电容式传感器、电容式传感器 . .（1）测定角度）测定角度： （2）测定液面高度）测定液面高度h： （3）测定压力）测定压力F： （4）测定位移）测定位移x： 定定片片动动片片 电电介质介质金金 属属芯线芯线导导电电液体液体待测压力待测压力F固固 定定电极电极可可动动电电极极x极板极板极板极板电介质电介质如如图图，被被测测物物体体在在左左右右方方向向发发生生位位移移时时，电电介介质质板板随随之之在在电电容容器器两两极极板板之之间间移移动动。物物体体位位移移的的变变化化，就转换成了电容量的变化。就转换成了电容量的变化。压力传感器压力传感器电容式话筒电容式话筒1 1、传感器的概念：、传感器的概念：小结：小结：2 2、传感器的工作原理：、传感器的工作原理：3 3、敏感元件：、敏感元件：（1 1）光敏电阻）光敏电阻 （光电传感器）（光电传感器）（2 2）热敏电阻和热电阻）热敏电阻和热电阻 （ 温度传感器）温度传感器）（3 3）电容式传感器）电容式传感器 （位移传感器）（位移传感器）（4 4）霍尔元件）霍尔元件 （磁传感器）（磁传感器）非电学量非电学量敏感元件敏感元件转换器件转换器件转换电路转换电路电学量电学量传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、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，或转换为电路的的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。通断。课堂总结课堂总结1.光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏电阻将电阻将光学量光学量转化为转化为电阻电阻这个电学量。这个电学量。2.热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小。有热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小。有的热敏电阻阻值会随温度的升高而增大。热敏的热敏电阻阻值会随温度的升高而增大。热敏电阻或金属热电阻将电阻或金属热电阻将温度温度这个热学量转化为这个热学量转化为电电阻阻这个电学量。这个电学量。3.霍尔元件能够把霍尔元件能够把磁感应强度磁感应强度这个磁学量转化为这个磁学量转化为电压电压这个电学量。这个电学量。 ACAC如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中其中R R1 1为光敏电阻，为光敏电阻，R R2 2为定值电阻此光电计数为定值电阻此光电计数器的基本工作原理是（器的基本工作原理是（ ）A A当有光照射当有光照射R R1 1时，信号处理系统获得高电压时，信号处理系统获得高电压B B当有光照射当有光照射R R1 1时，信号处理系统获得低电压时，信号处理系统获得低电压C C信号处理系统每获得一次低电压就记数一次信号处理系统每获得一次低电压就记数一次D D信号处理系统每获得一次高电压就记数一次信号处理系统每获得一次高电压就记数一次例例2 2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电、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阻三只元件分别接入如图所示电路中A A、B B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（ ）ABA.A.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，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这只元件一定是热敏电阻B.B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，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这只元件一定是定值电阻C.C.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化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较大，这只元件一定是光敏电阻D.D.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，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这只元件一定是定值电阻AC待测压力待测压力F固定电极固定电极膜片电极膜片电极例例3传传感感器器是是一一种种采采集集信信号号的的重重要要器器件件，如如图图是是一一种种测测定定压压力力的的电电容容式式传传感感器器，当当待待测测压压力力F作作用用于于可可动动膜膜片片产产生生变变形形，引引起起电电容容的的变变化化，若若将将电电容容器器、灵灵敏敏电电流流计计和和电电源源串串联联接接成成闭闭合合电电路路，那那么么（ ）A当当F向上压膜片电极时，电容将减小向上压膜片电极时，电容将减小B当当F向上压膜片电极时，电容将增大向上压膜片电极时，电容将增大C若电流计有示数，则压力若电流计有示数，则压力F发生变化发生变化D若电流计有示数，则压力若电流计有示数，则压力F不发生变化不发生变化 BC（2 2）测物体加速度）测物体加速度 如如图图为为应应变变式式加加速速度度计计示示意意图图，当当系系统统加加速速运运动动时时，敏敏感感元元件件发发生生位位移移，并并转转化化为为电电信信号号输输出出，已已知知：敏敏感感元元件件的的质质量量为为m m，两两弹弹簧簧的的劲劲度度系系数数为为k k，电电源源的的电电动动势势为为E E，内内电电阻阻不不计计，滑滑动动变变阻阻器器的的总总电电阻阻为为R R，有有效效长长度度为为L L，静静态态时输出电压为时输出电压为U U0 0。试求加速度。试求加速度a a与输出电压与输出电压U U的关系式。的关系式。敏感敏感元件元件输出输出信号信号ER滑动触头左右移动过程中，滑动触头左右移动过程中，电路中电流如何变化？电路中电流如何变化？若车的加速度大小为若车的加速度大小为a a，则，则两弹簧的形变量是多少？两弹簧的形变量是多少？求加速度求加速度a a与输出电压与输出电压U U的关系的关系式式 例题：如图为一种测定风作用力的仪器原理图，例题：如图为一种测定风作用力的仪器原理图，图中图中P P为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O O是悬挂点，是悬挂点，R R0 0是保护电阻，是保护电阻，CDCD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球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在C C点接触，此时电路中的电流为点接触，此时电路中的电流为I I，有风时细金属丝将偏，有风时细金属丝将偏转一角度转一角度（与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在与风力大小有关），细金属丝与电阻丝在C C/ /点接触，已知风力方向水平向左，点接触，已知风力方向水平向左，OC=hOC=h，CD=LCD=L，球的质，球的质量为量为M M，电阻丝单位长度的电阻为，电阻丝单位长度的电阻为k k，电源内电阻和细金属，电源内电阻和细金属丝电阻均不计，金属丝偏转丝电阻均不计，金属丝偏转角时，电流表的示数为角时，电流表的示数为I I/ /，此时风力大小为此时风力大小为F F，试写出：，试写出： 风力大小风力大小F F与与的关系式；的关系式；风力大小风力大小F F与电流表示数与电流表示数I I/ / 的关系式。的关系式。 此装置所测定的最大风力是多少？此装置所测定的最大风力是多少？R0OPDC/CA电电源源（1）测物体的质量）测物体的质量EPASBR0APASBR0VEPASBR0VE温度传感器的应用温度传感器的应用电熨斗电熨斗（1）常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当）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？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）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？度，这是如何使用调温旋钮来实现的？（1）常温下，上、下触点应是接触的，但温度过）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，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循环进行，起到自动控制温度的作用（2）熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同）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，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达到控制在不同温度的目的 力传感器的应用力传感器的应用电子秤电子秤传感器的应用传感器的应用 声传感器的应用声传感器的应用话筒话筒 温度传感器的应用温度传感器的应用电熨斗电熨斗上节课：小结上节课：小结 力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声力传感器是把力信号转换成电信号；声传感器是把声音信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行音信号转换为电信号，而温度传感器往往是用来进行自动控制自动控制【例】【例】 在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC 元件，元件，PTC元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率随温度其电阻率随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，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，以下判断正元件具有发热、保温双重功能对此，以下判断正确的是（确的是（ ）通电后，其电功率先增大，后减小通电后，其电功率先增大，后减小 通电后，其电功通电后，其电功率先减小，后增大率先减小，后增大 当其产生的热量与散发的热量相等当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在时，温度保持在t1不变不变 当其产生的热量与散发的热量当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在相等时，温度保持在t1和和t2之间的某一值不变之间的某一值不变A B C D1、温度传感器的应用、温度传感器的应用电饭锅电饭锅（1）温度传感器的主要元件是什么？）温度传感器的主要元件是什么？ 感温铁氧体。感温铁氧体。（2）感温铁氧体的组成物质是什么？氧化锰、氧）感温铁氧体的组成物质是什么？氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成。化锌和氧化铁粉末混合烧结而成。（3）感温铁氧体有何特点？）感温铁氧体有何特点？常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约103，失去铁磁性，失去铁磁性（4）什么是）什么是“居里点居里点”？居里点，又称居里温度，？居里点，又称居里温度，即指即指103。温度升高到一定数值时，感温铁氧体的磁性消失温度升高到一定数值时，感温铁氧体的磁性消失 （1 1）开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体）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，按钮不再恢复到与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。图示状态。（2 2）水沸腾后，锅内大致保持）水沸腾后，锅内大致保持100100不变。不变。（3 3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，）饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至当温度升至“居里点居里点103”103”时，感温磁体失去时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热分离，切断电源，从而停止加热(4)(4)如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持100100不变，温度低于不变，温度低于“居里点居里点103”103”，电饭，电饭锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到锅不能自动断电。只有水烧干后，温度升高到103103才能自动断电。才能自动断电。电饭锅的工作过程：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，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持于锅内保持100不变，故感温磁体仍与永磁体不变，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，锅底温度升高，当温度升至“居里点居里点103”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁时，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，从而停止加热体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热（1）温度传感器测温仪有何优点？）温度传感器测温仪有何优点？可以远距离读取温度的数值因为温度信号变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成电信号后可以远距离传输（2）常见的测温元件有哪些？）常见的测温元件有哪些？热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感热敏电阻、金属热电阻、热电偶及红外线敏感元件等元件等本节课小结：本节课小结：电饭锅电饭锅测温仪测温仪温度传感器温度传感器鼠标器鼠标器火灾报警器火灾报警器光传感器光传感器传感器的传感器的应用应用【例】如图甲为在温度为【例】如图甲为在温度为10左右的环境中工作的某自左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 k，R2=10 k，R3=40 k，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示当线如图乙所示当 a、b端电压端电压 Uab0时，电压鉴别器使时，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在温箱内的温度恒定在_如图，为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的如图，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，装置示意图，A A为光源，为光源，B B为光电接收器，为光电接收器，A A、B B均固定在均固定在车身上，车身上，C C为小车的车轮，为小车的车轮，D D为与为与C C同轴相连的齿轮，车同轴相连的齿轮，车轮转动时，轮转动时，A A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后就发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后就变成脉冲光信号，被变成脉冲光信号，被B B接收并转换成电信号，由电子电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的脉冲数为路记录和显示若实验显示单位时间内的脉冲数为n n，累计脉冲数为累计脉冲数为N N，则要测出小车的速度和行程还必须测，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是量的物理量或数据是 ，小车速度的表达式为，小车速度的表达式为，行程的表达式为，行程的表达式为 ABDC车轮的半径车轮的半径R R和齿轮齿数和齿轮齿数P P；