传感器的原理与应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传感器原理与应用,戴小鹏,信息技术培训,信息技术是总的名称，它包括哪些技术？,信 息 技 术,可分为系统层次和基础层次。,系统层次包括：,3,、,计算机技术,2,、,通信技术,1,、,传感技术,Collection,获取信息,（信息识别、信息提取、信息检测）,Communication,传递信息,Compution,处理信息,（实现信息的快速、可靠、安全的转移）,（对信息进行编码、压缩、加密、存储）,4,、,控制技术,Control,利用信息,（信息显示和对外控制）,5,、,对抗技术,Countermeasure,保护信息,两者结合，,形成计算机网络技术,（信息安全与信息对抗）,1,、,传感技术,Collection,获取信息,（信息识别、信息提取、信息检测）,Wii,健身运动,游戏很好玩，,工作原理是什么？,触摸屏是怎么感知的？,使用者翻动手机选择,“,响铃,”,或,“,震铃,”,；,摇晃手机变换不同的铃声和游戏；,音乐和壁纸随着人们的动作而变化。,摇晃你的手机,传感器,身边的传感器,CCD,热敏电阻,传声器,温控器,力传感器,温度开关,实验室的,传感器,什么是传感器,狭义地定义：,能够将外界的非,电,信号，按一定规律转换成,电,信号输出的器件或装置。,温度变化,电阻值变化,热敏电阻,这些是传感器吗？,记忆合金,热敏油墨,热敏灯罩,温度变化,狭义地定义：,能够将外界的非,电,信号，按一定规律转换成,电,信号输出的器件或装置。,（对温度敏感的材料）,传感器的微型化,人类社会的全面信息化，使得信息系统正朝着微型化、多功能化和智能化的方向迅速发展。,随着微电子技术的进步，微处理器、存储器等电子器件日益微型化，而传感器、执行器的微型化程度却远远落后，成了信息系统微型化的,“,瓶颈,”,。,于是,，,“,MEMS,技术,”,应运而生,。,将传感器、微处理器、执行器合为一体，构成微电子机械系统，是人们很久的愿望。,M,icro,E,lectro,M,echanical,S,ystem,集成电路内部结构,MEMS,是,“,微机械电子系统,”,的英文缩写。,微机电系统是采用微机械加工技术，将微型传感器、微型执行器、微型机构和相应的处理电路集成在一起的微型器件或微型系统。,机械部分能够微型化吗？,MEMS,“,微米级,”,加工技术,100,m,显微照片,1988,年,美国科学家研制。,转子直径,120,微米，厚,1,微米。在,380V,电压驱动下，最大转速每分钟,500,转。,第一台静电电动机,传统的陀螺仪,陀,螺,仪,环形陀螺仪,MEMS,陀螺仪的作用,MEMS,独轮车上的陀螺仪,MEMS,MEMS,微型传感器,压强传感器,压力传感器,微传感器的尺寸大多为毫米级，甚至更小。例如：压力微传感器可以放在注射针头内，送入血管测量血液流动情况。,加速度传感器,三轴陀螺仪,MEMS,微型执行器,自海湾战争以来，美军越来越多地使用精确制导武器，实行战场上的精确打击。,为了提高命中精度，将惯性导航系统（陀螺仪）和,GPS,复合后作为制导技术。,GPS,提供时间和定位数据，并校准陀螺仪；而陀螺仪提供飞行参数，在,GPS,信号中断期间进行导航。二者取长补短，提高导航精度。,MEMS,微型陀螺仪,MEMS,与,“,精确打击,”,制 导 炸 弹,JDAM,导弹,导弹采用,GPS,定位和,微型陀螺仪,制导，导弹发射后无需人工干预，可以自主飞行，具有多目标攻击能力。这是第四代制导炸弹优于激光制导炸弹的显著特点。,GPS,卫星导航,因建筑物和植被等原因,，,GPS,信号会出现中断。此时，,由,微型陀螺仪,提供移动,角度，結合,车辆移动,的,时间,及速度，可,计算出,方向和,距离,，,以,此,检查移动车辆,的,行进路线,，,作为,GPS,的,辅助导航，直到,GPS,信号恢复正常。,MEMS,MEMS,陀螺仪,随着微机电系统,、,传感器、无线通信，以及集成电路等技术的发展和成熟，低成本、低功耗的微型传感器的大量生产成为可能。,同时，传感器的信息获取技术，已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的方向发展。,传感器的微型化、网络化,方法一：,100,元的,多功能,智能,传感器,1,件,监测室内环境,（温度、湿度、光照度、悬浮物、有害气体）,方法二：,10,元的,单一功能,简单,传感器,10,件,由众多低成本、低功耗的微型传感器组成传感器网络，全方位地进行监测。,传感技术,MEMS,通信技术,无线传感器网络,“,无线传感器网络,”,由此孕育而生,汶川地震,东南亚海啸,澳大利亚森林大火,土耳其水灾,泥石流,山体滑坡,冰,冻,研究人员的方案：,将大量的传感器布置在需要预警的区域内，随时监测目标的细微变化，经过分析和判断，及时传递有关信息，从而为人类提供足够的防御时间。,这就是,:,对于这些灾难，,能否预先得到警示呢？,Wireless Sensor Network,（,WSN,）,无线 传感器 网络,将成千上万个微型传感器密集地分布在森林中，各传感器通过无线网络相互协作，共同执行分布式感知任务，并将准确的火源信息传送给信息中心。,例如：森林火警系统,微型传感器,什么是无线传感器网络,无线传感器网络是利用大量的微型传感器（结点），通过无线通信形成网络，用来感知现场的信息。,结点中的微处理器对原始数据进行初步处理后，经网络层层转发，最终发送给基站，再由基站传送给用户，从而实现对现场的监控。,这些结点采用,MEMS,技术，在一个微小的芯片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信等多种功能。,传感器,微型处理器,无线通信,最小的芯片只有,1501507.5,微米,无线传感器网络由成千上万个微型传感器组成，每个微型传感器称为网络的一个,“,结点,”,。,结点的构成,传感器,应用程序,无线通信,内 存,CPU,电 源,网络中的网关,（基站）,（较强的处理、通信能力）,网络中的结点,（简单处理、短距离通信）,通过飞机、火箭、人工等形式，将大量传感器结点分布在需要监测的区域内。,结点处于睡眠状态,结点间的通信,1,、传感器结点激活；,2,、通过无线通信，,确定自身的位置；,3,、自动组织成网络,；,唤醒、联络、确定自身位置,网关,结点,各传感器分别探测外部信息,温度,湿度,土壤成分,图象,压强,压力,光照,声音,加速度,？,因环境影响、能量耗尽等原因，结点容易发生故障。,磁场,位移,核辐射,各结点将信息汇聚到基站,结点出故障，其它结点会自动寻找别的,“,同伴,”,完成任务。,网关,（路由器）既要输出本身的信息，还要传递其它结点的信息。,结点能量不足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息。,卫星、互联网,信息经卫星、互联网到达用户,网关,网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户。,例如：,为防范敌军坦克，飞机在某区域撒落数千个传感器结点，形成无线传感器监测网络。,每个结点都配备磁传感器和振动传感器。,以无线传感器监测网，替代地雷布阵,卫星、互联网,网关,大量结点,随机分布,联络、自身定位、,自动组织成网络,传感器探测磁场,和震动信息,1,、,是不是坦克？,2,、,根据多点信息，,进行目标定位,报告时间、方位、速度、方向,无线传感器网络起源于军事研究。,现代战争被喻为,“,感知者的胜利,”,。只有拥有全天候、抗干扰、高灵敏度的传感器，才会有,“,透明的战场,”,。,自阿富汗和伊拉克战争以来，各军事强国都非常重视网络和传感器的重要作用，以提高,“,战场感知,”,能力。,无线传感器网络的应用,例如：美军研制的,“,战场感知与数据分发,”,系统，利用地面传感器对目标进行探测、识别和跟踪，并,将目标信息,通过网络系统直接传送给武器装备。,传感器,网络系统,“,传感器到射手,”,作战模式：,这一技术的雏形，始于,60,年代越南战争。,越南胡志明小道,上世纪,60,年代越战期间，越南北方通过老挝和柬埔寨境内的秘密通道,胡志明小道,向南方输送军用物资和人员。,胡志明小道处于密林中，美军很难发现。为了切断这条运输通道，美军对其狂轰滥炸，但效果不大。,胡志明小道,越战时期的无线传感器,后来，美军在胡志明小道投下,2,万多枚，被称为,“,热带树,”,的战场传感器系统,，为轰炸机提供准确的信息。,“,热带树,”,由震动和音响传感器组成。传感器落地后插入泥土中，仅露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为,“,热带树,”,。,当人员和车辆在其附近活动时，,“,热带树,”,便探测到目标产生的震动和声音信息，并通过无线电通信传送到指挥中心。,“,热带树,”,的成功应用，促使许多国家纷纷研制各种地面传感器系统。,这是无线传感器最早的应用。,无线传感器网络的概念，起源于美国提出的,“,智能尘埃,”,的设计思想。,将无线传感器制作成灰尘般大小。,在战场上抛撒成千上万、或许上百万个,“,智能尘埃,”,，用于监控敌人的活动。,这些传感器自行组织成无线传感器网络，并对探测到的原始数据进行过滤，把重要的信息发送给使用者。,“,智能尘埃,”,的特征：,成本低、,体积小、功耗低、,分布式、,自组织、无线通信。,“,智能尘埃,”,美国,“,9,11,”,事件,海湾战争，尤其是,911,以后，美国军方希望研究人员提供低功耗的无线、多跳、自组网技术，这进一步引发了无线传感器网络的研究热潮,。,人们很快发现：,除了军事领域，无线传感器网络所具有的自组织、微型化和对外部世界的感知能力，以及部署简单、布置密集、低成本和无需现场维护等优点，在其它行业具有巨大的应用价值。,精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术基础上发展起来的现代农业生产形式。,其核心技术是农田地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。,精 准 农 业,精量播种,变量喷药,精准灌溉,无线传感器结点,工业监测与控制,产品检测,天然气,压力监测,桥梁结构监测,监测风速、风向、温度、湿度、能见度、降雨强度等。,东海大桥,上海浦东机场的周界防入侵系统,在机场四周设立无线传感器警戒网，形成低空、地面、地下三维立体报警体系。每个结点由震动、声响、磁场和微波传感器等组成。,通过网络，可以随时监测周边实况。,太湖水自动监测工程,在太湖大范围水域布放传感器，通过无线传输方式,24,小时监测太湖水质的各项变化，并将数据及时传回数据中心。,水质自动监测浮标,我国科学家在海拔,4093,米的南极冰穹,A,地区，布设监测冰雪变化的,“,智能尘埃,”,网络，将南极冰雪表面数据与空中的遥感卫星监测数据相结合，对南极冰穹开展天地一体的监测研究。,环境监测,无线传感器网络冰雪监测系统,楼宇环境监测,监测每层楼的,温度、湿度、光照度,监护器内整合了电极、生物传感器、微型计算机芯片和无线发射电路。,将监护器安置在患者身上或植入体内,，,24,小时监测心律不齐症状。医生通过无线网络可以及时了解每位病人的病情。,这种便捷诊断可以大范围实施，并可降低急救成本。,便携式心脏监护器,无线传感器网络的意义,无线传感器网络引起了全世界的关注，被认为是继互联网之后的第二大网络。,在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域，位居世界前列的少数项目之一。,无线传感器网络被称为,21,世纪最具影响的技术之一；是改变世界的十大新兴技术之首；是全球未来的四大高新技术产业之一。,大型机,PC,机,互联网,东方明珠,金茂大厦,环球金融中心,上海中心,1998,年,420,米,2008,年,580,米,1994,年,350,米,492,米,无线传感器网络,2014,年,制高点,信息产业中，无线传感器网络已成为继计算机和互联网之后，国际竞争新的制高点。,1965,年,1980,年,1995,年,2010,年,如果说：,互联网、移动通信连接的是人和人；,那么：,传感器网络连接的，则是物和物。,无线传感器网络,将信息世界与物理世界融合在一起，改变人类与自然界之间的交互方式。,互联网,构成逻辑上的信息世界，,改变了人与人之间的沟通方式。,未来,人们将通过遍布四周的传感器网络，直接感知客观世界。,传感器网络,物 联 网,“,物 联 网,”,（,Internet of Things,）,奥巴马就职后，,IBM,提出,的,“,智慧的地球,”,概念得到重视。,“,物联网,”,概念很多年前已提出。,智慧的地球,物联网,互联网,美国认为物联网是振兴经济、确立竞争优势的关键战略，政府给予积极回应。,2010,年政府工作报告,温家宝总理明确提出,:,加快物联网的研发应用。,2009,年,8,月温家宝总理视察无锡时指出：,尽快建立中国的传感信息中心，或者叫,“,感知中国,”,中心。,物联网中的,“,电子标签,”,什 么 是 物 联 网 ？,物联网,电子标签,无线通信互联网,传感器无线通信互联网,电子标签,传感器无线通信互联网,传感网,电子标签,红外感应器激光扫描器,GPS,互联网,现在：超市排队付款,用扫描仪照射每一件商品的条形码，以识别每一类商品的价格。,当你推着满满的购物车从收银台通过时，不必排队等候结账。,商品上的,电子标签,已将商品信息自动登陆到商场的计价系统，货款也自动从你的信用卡里扣除。,今后：超市,智能支付,什么是电子标签？,电子标签如何标识商品？,自动识别技术,是一项自动采集和处理数据的技术，能够自动获取被识别物体的相关信息，并由计算机完成后续处理。,作用：是对物体进行识别和跟踪。与人工识别相比，自动识别更快、更准，提供的信息更多。,自动识别技术广泛应用于物流供应链、小额支付、人员识别、物品防盗与防伪、动物识别、运动计时、疾病追溯以及车辆识别与管理等领域。,自动识别技术,包括：,条形码识别,商品标签,磁条卡识别,银行卡、电话卡、收费卡,IC,卡识别,社保卡、手机,SIM,卡,生物识别,语音识别、指纹识别、脸部识别,光学识别,扫描仪的文字识别,射频识别,公交卡、身份证,自动识别,一维条形码,二维条形码,可以存储更多的信息,二维条形码,条形码识别最大缺点：,只能识别一,“,类,”,商品，不能识别一,“,件,”,商品。,例如：同一种牛奶盒上的条形码到处都一样，无法获取某一盒牛奶的信息。,没有做到,“,一物一码,”,，无法实现产品的实时追踪。,接触式磁条卡,银行卡、证券、保险、 超市、电话卡、收费卡、预约卡、门票、储蓄卡、信用卡等。,接触式,IC,卡,集成电路,IC,卡,插入阅读器，将芯片与内部电路接通，然后进行操作。,非接触式,IC,卡,把,IC,卡靠近阅读器，不必接触，信息就可以进行交换。,公交卡,“,IC,卡,”,内部并无电池，它是怎么工作的？,阅读器,IC,卡,公交卡的识别系统由,阅读器,和,IC,卡,组成。,11110101,01011001,10110010,询问,应答,电磁波,每张,IC,卡都有自己唯一的识别码。,集成电路芯片,感应天线,公交卡工作原理,发射电磁波,IC,卡本身没有电源。当天线感应到电磁波后获得能量，电路开始工作。,与阅读器进行通信联系后进入休眠状态，不会重复读卡。,阅读器完成对应操作，并发,“,嘟,”,声结束。,嘟,阅读器,IC,卡的内部结构,由集成电路芯片、天线和外部封装构成。,阅读器发射电磁波,滤波,解调,微机芯片,放大,频率为,13.56MH,Z,的电磁波,感应天线,L,阅读器是一台发射器，向外发射电磁波，,“,询问,”,附近的,IC,卡。如有多张,IC,卡同时应答，则分别处理。,询 问,C,IC,卡将电磁波转化为能量,集成电路,芯片,C,1,感应天线,L,I,C,2,IC,卡的天线接收到电磁波，并产生感应电流，经二极管整流，在,C,2,两端产生,2V,电压供芯片工作，并向阅读器报告本卡的相关信息。,2V,电磁波,应 答,卡的类别；,本卡代码；,乘车时间；,剩余金额,；,阅读器读取卡片的信息,滤波,解调,微机芯片,放大,感应天线,阅读器接收来自,IC,卡的数据信号，并发出操作指令（应答或者对,IC,卡扣款）,。,IC,卡的信息,扣 款,免于扣款；,部分扣款；,全额扣款,；,芯片,滤波,解调,计算机,放大,射频识别系统,阅读器,IC,卡,电子标签,射频识别技术,射频识别是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术。,射频识别技术是信息化建设的核心技术之一。,射频识别系统由,阅读器,和,电子标签,组成。,射频,无线电通信所用电磁波的频率,阅读器,电子标签,IC,卡,电子标签的各种结构,由集成电路芯片和天线构成。,芯片极小，金属箔天线可制成各种形状。,应用,MEMS,技术的芯片,将电子标签附着在商品上，通过射频识别技术对商品进行自动识别。,电子标签,条形码只能识别某一,“,类,”,产品，无法识别某一,“,件,”,产品。,而在现代物流业，需要对产品进行唯一的识别，并追踪供应链上的每一件单品。,电子标签的芯片面积不足,1,平方毫米，但它的容量巨大，可以提供几百亿个电子编码供选用。,这意味着：利用互联网以及全球统一标识编码，可以给每个实体唯一的代码，以便跟踪它的整个生命周期，从而实现全球物品信息实时共享的,“,物联网,”,。,01001101,01101010,10010101,10101010,00101011,01010111,通俗地说，,现在：每一,类,商品一个代码；,将来：每一,件,商品一个代码；,电子标签是否,存储商品的全部信息？,网 络,大米：,友谊,农场种植、,1,月,29,日收割、,2,月,27,日分装,数据库,大米：,龙江,农场种植、,1,月,10,日收割、,2,月,15,日分装,大米：,建设,农场种植、,1,月,21,日收割、,2,月,20,日分装,电子标签存储的仅是商品的代码，不含其它信息。,实际使用时，阅读器读取电子标签的代码并输入计算机，然后通过网络，在数据库中查寻该代码对应的商品数据，再将信息回传给顾客。,10010101,01011001,10110010,读取代码，查询信息,（,1,）,可识别单件产品；,（,2,）,非接触，透过外包装读取数据；,（,3,）,存储的信息量大；,（,4,）,构成网络环境；,（,5,）,同时识别多个对象。,射频识别技术的特点,每件商品都有产品电子标签,射频识别技术的应用,射频识别并不是全新的技术，早在二战时期，已被美国空军用作敌我飞机识别。由于技术和成本等原因，一直没有得到广泛应用。,而今，社会的进步，使这一技术在智能化、网络化方面得到大力发展，并成为,“,物联网,”,的重要组成部分。,二代身份证识别,射频识别,（,RFID,）,电子护照内的非接触式晶片，载有持证人的个人资料及容貌影像。,电子护照具有,“,基本读取控制,”,功能，可预防未经授权的信息读取行为。,电 子 护 照,嵌入射频芯片的,门票,射频识别,（,RFID,）,门 禁 卡,小区大门,宾馆房门,射频识别,（,RFID,）,动物出生便贴上标签，从而实现鸡、鸭、牛、羊、猪从出生到餐桌的全程跟踪。,射频识别,（,RFID,）,电子标签,通过车载电子标签与收费站的天线进行微波通讯，系统根据车型和车牌号自动收取费用，并通过网络与银行系统进行结算，从而实现车辆不停车收费。,公路不停车收费管理系统,射频识别,（,RFID,）,电子收费系统,雷达模型,物流分拣系统,货物从制造商到零售商，商品的运输起点、中转点、终止点及商品经过某地的具体时间、负责人，都存储在电子标签中。,电子标签与传感器的结合,感温电子标签除识别与定位功能外，还可通过温度传感器获取实时温度数据。,电子标签,温度传感器,感温电子标签,=,用感温电子标签追踪蔬菜的温度和湿度。,蔬菜在产地装箱时，在货箱内放置感温电子标签以及,GPS,接收器。,无论货箱在何处，传感器每,2,分钟测量一次温度和湿度，并连同货箱位置一同报告控制中心，对蔬菜的供应链作全程检测。,蔬菜产品监测,无线传感器网络的实施,需要精确的定位技术,定位技术,是信息技术中的重要内容,GPS,全球卫星定位系统,汽车定位,手机,定位,老人小孩定位,宠物定位,日常生活中的定位技术,触摸屏技术,手机的触摸屏,手腕计算机,单 点 触 摸,公共资讯查询,餐馆触摸屏,物流管理,多 点 触 摸,世博会场景,触摸屏,是怎么感知的？,触 摸 屏,液晶显示屏,包括：电阻式、电容式、压电式、红外线式、表面声波式等。,触摸屏 与 定位技术,R,1,R,2,0V,5V,V,R,R,1,R,2,V =,5,R,2,/,(,R,1,+R,2,),电压和电阻的关系：,R,电阻式触摸屏,R,2,0V,5V,V,V =,5,(,R,2,/,R,),电压和导体长度的关系,0V,5V,V,L,L,2,V =,5,(,L,2,/ L,),电压和电阻的关系,R,L,L,2,V,5V,V,=,5,(,L,2,/ L,),已知：,L,只要测量,V,就可得到,L,2,定位：导电体上某一点的位置,导电玻璃,绝缘的隔离点,直径小于,25,微米,透明的,电阻性导电层,透明的,金属层,触摸屏的结构,覆盖金属层的保护膜,玻,璃,透明薄,膜,L,L,2,V,5V,R,1,R,2,测量,R,2,两端的电压,电阻性导电层,金属层,V,=,5,(,L,2,/ L,),V,L,L,2,5V,V,=,5,(,L,2,/ L,),Y,轴方向的定位,平面上某一点的定位,V,L,L,2,5V,V,=,5,(,L,2,/ L,),X,轴方向的定位,导电玻璃,触摸屏的结构,V,1,5V,V,2,5V,导电薄膜,L,2,= V,2,L /,5,L,1,= V,1,L /,5,空隙,隔离点,保护膜内的金属层,玻璃上的电阻层,触摸屏的结构,这里的触摸屏就是一种传感器,覆盖在液晶显示屏上的触摸屏,CPU,控制器,电阻式触摸屏,无论何种形式的触摸屏,都离不开计算机的控制,电容式,红外线式,各种触摸屏技术,压电式、表面声波式、,计算机与数字化,没有数字化，就没有如今的计算机，,而计算机，又推动了各行各业的数字化。,微处理器,的,三大技术门类,计算机的核心是,微处理器,（,MPU,）,CPU,（中央处理器）,DSP,（数字信号处理器）,MCU,（微控制器）,所谓的数字化、信息化、智能化，其实就是,“,MPU,”,化。,微控制器,（,MCU,）,普通电饭锅,智能电饭锅,单片机,MCU,是以控制电子设备为目的、经过优化的嵌入式微处理器，又称为,单片机,。,与,CPU,相比，它更强调独立自足和低成本。,传感器,控制程序,普通洗衣机,智能洗衣机,普通高压锅,智能压力锅,传感器,单片机,传感器,单片机,将传感器和计算机引入实验教学,传统实验,数字化实验,数字化信息系统,数字化信息系统,采 集 器,计算机和软件,DIS,各 种 传 感 器,D,igital,I,nformation,S,ystem,电子计价秤,悬臂梁,应变片,固定端,敏感元件,人体秤中的传感器,应变片,固定端,悬臂梁,1,、,力 传 感 器,将力学量转换为电量的装置称为力传感器。,金属形变,力学量,电学量,如何测量力？,悬臂梁,力学量,敏感元件,（,悬臂梁,）,金属应变,将,“,力,”,转换为,“,应变,”,悬臂梁,受力端,固定端,F,固定端,悬臂梁是一种弹性元件，一端固定，另一端受力。,在力,F,作用下，悬臂梁的上、下表面均产生微小的形变，称之为,“,应变,”,。,F,金属形变,电学量,？,如何将,“,应变,”,转换为电学量,转换元件,（,应变片,）,电学量,金属应变,利用电阻应变片，将金属的应变转换成电阻值的变化，从而将力学量转换成电学量。,应变 和 应变效应,应变是指物体形变的比值：,L,L,金属或半导体在受到外力作用产生变形时，其电阻值也随之变化，这种现象称为,“,应变效应,”,。,F,L,L,F,电阻应变片根据应变效应制成，它将物体的应变量转换成电阻变化量，用来测量微小的机械形变。,应 变 片,电阻丝,保护层,绝缘基片,受力方向,上面两只应变片,下面两只应变片,固定端,受力端,在悬臂梁的两个侧面各粘贴,2,片电阻应变片,电阻应变片,电阻应变片分为金属应变片和半导体应变片两大类。力传感器使用的是金属应变片。,当应变片随着悬臂梁产生形变时，金属电阻丝在外力的作用下被拉伸或压缩，它的长度,L,和截面,S,以及电阻率,均会发生变化。,R,=, ,L,S,对金属材料而言，主要是导体的,L,和,S,发生改变，而电阻率,的变化相对很小，可以忽略不计。,各种应变片,力传感器上的应变片,应变片工作原理,压缩时电阻变小,F,F,金属丝,金属丝,金属丝,F,F,拉伸时电阻变大,金属丝,应变片工作原理,金属片,金属丝,应变片工作原理,F,压缩时电阻变小,拉伸时电阻变大,这里的金属丝就是一种,“,应变片,”,，它可以将金属片的形变转换成电阻的变化。,测量电路,电桥,应变片,（,R,2,、,R,3,）,应变片,（,R,1,、,R,4,）,悬臂梁的上、下表面各粘贴,2,片应变片，它们的电阻值相同。,R,1,R,2,R,3,R,4,U,R,1,R,2,R,3,R,4,R,1,R,2,R,3,R,4,U,U,A,U,B,当悬臂梁受力时，梁的上表面伸长，,R,1,、,R,4,电阻值增大；梁的下表面压缩，,R,2,、,R,3,电阻值减小。此时,U,A,U,B,，,电桥失去平衡，输出与压力成正比的电压。,小,小,大,大,F,R,2,R,3,R,1,R,4,R,2,R,3,R,1,R,4,R,1,R,2,R,3,R,4,R,=, L,S,悬臂梁受力后产生形变，应变片将悬臂梁的形变转换为电阻值的变化，并以电压形式输出。,F,R,2,R,3,R,1,R,4,R,1,R,2,R,3,R,4,U,力传感器的测量过程,力,形变,形变,电阻值变化,电阻值变化,电压变化,电子计价秤中的应变片,应变片的应用,荷重传感器,测量汽车载重,崇明跃进桥检测,布置应变片,桥梁加载，检测桥梁的应变,对斜拉桥钢索进行应变测试,无线传感器网络,应变片,信号发射器,信号接收器,远距离实时监测,世博会的,“,阳光谷,”,力传感器的损毁,F,应变片,胶水,蠕动,悬臂梁,悬臂梁引起的误差,15,度,0.50N,0.51N,0.49N,放置在不同位置，测量值存在误差。,偏转角度过大时，测量值出现误差。,F,F,F,F,必须垂直受力,端 面,侧 面,作用力须与悬臂梁垂直,角度不垂直,2,、,压 强 传 感 器,压强传感器采用压阻式压力传感元件。,它是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。,当它受到气体压力时，半导体应变片的电阻率发生变化，从而输出电压变化。,压力传感元件,半导体应变片,当半导体材料受到外力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。,压强传感器使用半导体应变片。,对半导体材料而言，当应变片变形时，主要是,发生改变，而,L,和,S,的变化相对很小，可以忽略不计。,R,=, L,S,压力传感元件,真空室,基片,硅膜片,气压,硅杯,侧视图,应变片,应变片,硅膜片,应变片分布图,用单晶硅制成硅杯，其中间部分形成硅膜片，在硅膜片上制作,4,片电阻值相等的应变片。,当气体作用于硅膜片时，硅膜片弯曲，并使,应变片产生形变。,测量电路,R,1,R,2,R,4,R,3,当硅膜片形变时，外圈的应变片被拉伸，,R,1,和,R,4,的电阻值变大；而内圈的应变片受到压缩，,R,2,和,R,3,的,电阻值变小。,电桥失去平衡，输出与气体压力成正比的电压信号,U,=,I,R,。,R,1,R,2,U,A,R,3,R,4,U,I,R,U,B,I,R,1,R,2,R,3,R,4,F,侧视图：,血压计,压强,传感器,气阀,气泵,放气管,三通管,接传感器,气泵,袖 带,气阀,压强,传感器,轮胎压力传感器,在轮胎内埋设压强传感器（含微控制器），随轮胎一起转动，自动测量轮胎的气压、温度、转速，并将信息通过无线发送器传递给驾驶员。,轮胎压力监视系统,磁铁,手柄外环,手柄,手柄,旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件之间的距离，电路输出相应的电压，从而控制车速。,3,、,磁传感器,电动车的车速控制,霍尔元件,电动车的无刷电动机,无刷电动机没有电刷，定子产生旋转磁场带动转子旋转。电机中采用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。,无 刷 电 机,定子,转子,霍尔元件,定子,霍 尔 效 应,霍尔元件通常采用,N,型半导体材料，材料中导电的载流子是电子。,电子直线运动,I,：,迁移率,（电荷的速度）,：,电阻率,d,：,薄片厚度,霍尔电压,U,H,=,I B,d,I,N,型半导体,电子,I,v,霍 尔 效 应,施加磁场,B,，电子在洛伦兹力,F,L,的作用下向薄片的一个侧面偏转。,电子发生偏转,I,B,B,I,F,L,v,B,v,F,L,I,I,霍 尔 效 应,在该侧面上形成负电荷的积累（,）,在另一侧面，由于电子浓度下降而出现等量的正电荷（,）,从而形成霍尔电场,E,H,由于,E,H,的存在，电子除受到洛仑兹力,F,L,的作用，还要受到霍尔效应产生的电场力,F,H,的作用。,形成霍尔电场,B, , ,I,+ + + + + +,+ + +, , ,F,H,F,L,E,H,I,I,B,v,霍 尔 效 应,电场力,F,H,与洛伦兹力,F,L,相平衡。,在半导体两个侧面形成霍尔电压,U,H,。,U,H,I,B,当,I,保持不变时，通过测量,U,H,得到,B,。,电子恢复直线运动,I,B, , ,+ + + + + +,+ + +, , ,U,H,F,H,F,L,E,H,I,I,B,v,霍尔效应演示,在薄片的垂直方向施加磁场，电子除了做定向运动外，还在洛伦兹力的作用下向薄片的一个侧面偏转，从而形成霍尔电势。,霍尔效应实验器,实测表明： 金属中的霍尔电势非常弱，实用的霍尔元件通常采用半导体材料制成。,B,不变，,U,H,和,I,的线性关系。,I,S,N,金属片,B,S,N,I,160,140,120,100,80,60,40,20,0,U,H,/,V,I,/A,1 2 3 4 5 6,控制电流,磁 传 感 器,包含霍尔元件的集成电路,磁传感器填补了传统实验器材的空白，也为我们提供了探索的工具。,磁传感器应该置于何处？,？,直导线电流的磁场,导线下边,S,N,霍尔元件的测试面,导线,磁力线,导线,磁力线,导线旁边,导线上边,实际测量值,导线下边,导线旁边,导线上边,1,、串联,10,保护电阻。,2,、传感器不要长时间滞留在通电的螺线管内，以免损坏器件。,10,U,6V,霍尔元件通电后会发热,实验中的注意事项,图 线 异 常,实验中使用的学生电源，其电压输出必须稳定，如果出现电压波动，其图线会出现异常 。,4,、,位移传感器,超声波接收,超声波发射,红外线发射,红外线接收,工作原理,超声波,接收器,发射器,红外线,超声波到达，停止计时,超声波,接收器,发射器,红外线,t,1,红外线,接收器,发射器,超声波,t,2,红外线到达，开始计时,同时发射,距离,S,超声波,的速度,时间差,t,2,t,1,超声波,红外线,S,超声波传感器的工作原理,压电晶片,压电晶片,压电晶片,是一种压电式传感元件，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。,发射器,接收器,压电效应,某种晶体在外力作用下，不仅会产生形变，还会产生电极化现象，晶体的表面有电荷出现，从而形成电场。当外力消失后，表面又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。,压电效应包括逆压电效应和正压电效应。,电能,机械能,逆压电效应,正压电效应,逆压电效应,（电致伸缩效应）,伸长,压缩,电压,电压,如果对晶体施加交变电压，晶体就会产生振动，这样就将电振荡转变为机械振动，当频率适当时便产生超声波。,这就是超声波发射器的工作原理。,压电薄膜扬声器,（逆压电效应）,可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器,正压电效应,F,2,F,2,F,1,F,1,晶体,晶体,当晶体受到压力,F,1,时，晶体的表面产生上正、下负的电荷；而当晶体受到拉力,F,2,时，晶体的表面产生上负、下正的电荷。,（超声波）对晶体周期性地施加,F,1,和,F,2,，,其表面就会产生正、负交变的电场。,这就是超声波接收器的工作原理。,正压电效应实验,按压瞬间,释放瞬间,保持压力,压电陶瓷片的图形符号,压电材料只能测量瞬时信号,当施加正向压力时，压电晶体产生,上正,下负,的电荷；当力消失时，压电晶体反弹，产生,上负,下正,的电荷。,当动态力变为静态力时，电荷由于表面漏电而消失，因此只适用于动态测量，不适用于静态测量。,压电晶体的工作原理,极化方向（电极）,振动方向,交流电,振动方向,极化方向,压电陶瓷变压器,压电陶瓷变压器广泛用于液晶显示屏背光电源 、负离子（臭氧）发生器、静电喷涂、警用电击器等需要高电压小电流的领域。,交流电,多层压电陶瓷变压器,3583mm,交流电,交流电,在变压器的驱动部份施加交变电压，由于逆压电效应，变压器产生长度方向上的伸缩振动，输入的电能转换成机械能；,振动波沿变压器纵向传递到发电部份，通过正压电效应，机械能转换成电能，在输出端输出交变电压。,能量转换过程：,电能,机械能,电能,变压器越长、越薄，升压比越高。,以单层压电陶瓷变压器为例：,超声波电动机,照相机镜头,环形超声波电机,微形超声波电机,环形超声波电动机,转子,定子,转子运动方向,行进波的行进方向,定子表面质点的运动轨迹,压电陶瓷产生超声波，带动定子振动，并在定子表面产生沿环而行的,“,行进波,”,，从而利用摩擦力带动转子作反方向的旋转。,5,、,温度传感器,家用电器中应用最多的是温度传感器，常用的有以下几种：,电热油汀,电烤箱,电热锅,电火锅,电熨斗,双金属片可调温控器,手动复位式温控器（温度开关）,温度降低后，需要手动才能接通电路。,电热水壶,双金属片达到一定温度时，由于形变而产生瞬间跳动，通过传动机构，迅速断开电路。,饮水机,双金属片,自动复位式温控器（恒温开关）,温控器内部的双金属片达到设定温度时，自动断开电路；当温度低于设定温度时，自动接通电路，从而保持温度的恒定。,电热水瓶,机械式调温器,冷藏箱,电冰箱,冷冻箱,保鲜柜,液体感温剂（氯甲烷）,电子温控器,数字家电利用微控制器进行智能化控制。与之配套的各种传感器，包括热敏电阻、热敏晶体管等也在家用电器中扮演着重要角色。,各类热敏电阻的特性曲线,热敏电阻分类：,负温度系数,NTC,用于测温、补偿,正温度系数,PTC,用于特定温度的检测和控制,临界温度,CTR,用于特定温度的检测和控制,电冰箱的,控制器,电压力锅,电脑型微波炉,电脑型电饭锅,热敏电阻用于测量,发热电器的恒温控制：,刚通电时，,PTC,元件的电阻小，电流大，快速升温。,温度超过居里点后，电阻陡然增大，类似于关闭电源；当温度下降后，,PTC,电阻下降,自动恒温。,PTC,热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温的两种作用。,陶瓷暖风机,居里温度,开关电阻,工作范围,PTC,热敏电阻,电蚊香,温度传感器,温度传感器中的热电阻由铂金属制成。,传感器的金属管内充满导热硅脂，便于外界温度通过金属管传递到铂电阻。,铂电阻,热电阻温度传感器,热电阻分为纯金属电阻和半导体热敏电阻两大类。,材 料,铂,铜,温度范围,200,650,50,150,电阻率,0.09810.106,0.017,温度系数,3.923.98,4.254.28,性 能,性能稳定、精度高、重复性好,近似线性,线性、低温测量,体积大、热惯性大,温度系数越大，灵敏度越高。,电阻率大，相同灵敏度下可减小电阻体的尺寸，减小热惯性。,铜,铂,50,60,70,80,20,40,60,80,100,0,t,R,铂电阻的特性曲线,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,20,40,60,80,100,0,t,R,铂电阻,PT1000,温度传感器的滞后性,气体压强与温度的关系,p,T,压强与温度的拟合图线,P,-,T,图线为何不能通过坐标原点？,压强值滞后,温度值滞后,常见的实验操作过程,加温,看到压强升高为,112.3,立即点击,“,记录数据,”,继续加温，重复实验,实验结果：,温度值滞后,结 构,铂金属,玻 璃,陶瓷基片,铂电阻,金属管,导热硅脂,外界温度变化通过传感器的金属管、导热硅脂，再通过封装片才能传递到铂金属，这样的结构使得温度传感器不能迅速跟上外界的温度变化（响应速度慢），这种现象在动态测量中将引起测量误差。,温度变化,金属管,导热硅脂,封装片,铂金属,响应速度慢,产 生 的 原 因,当温度升高时，压强值上升为,112.3,，但此时温度传感器内的铂电阻还未感受到这一温度，,“,当前温度,”,显示的还是前一时刻的温度值（,334.2,）。,如果此时立即记录数据，不能,真实,反应,同一时刻,P,、,T,的,实际,状态，所记录的数据必然存在误差。,实验改进,1,、将铂电阻直接置于实验环境中，提高温度传感器的响应速度。,2,、增加水杯的热容量，以利于温度传感器和瓶内空气达到热平衡。,铂电阻,接压强,传感器,比热容实验,煤油,水,检查：两支温度传感器升温速度是否一致？,效果不理想,温度传感器的差异,两支传感器测量同一水温的变化，发现两者升温的斜率不等。,20,100,t,为什么？,温度传感器的差异,铂电阻,金属管,导热硅脂,导热硅脂充填不充分,需要进行温度对比时，注意传感器的一致性。,6,、,光电门传感器,A,B,A,孔发射红外线，,B,孔接收红外线。,当,A,、,B,之间无挡光物体时，传感器没有电信号输出；反之有电信号输出。,这样就把有没有物体挡光，转换成断续变化的数字信号。,光电管,发光管,红外线,挡光片,工作原理,当,A,、,B,之间无挡光物时，光电管导通，逻辑状态为,0,；,当,A,、,B,间有物体挡光时，光电管截止，逻辑状态为,1,。,计算机内设置计时器，当逻辑状态为,1,时，计时器开始计时；,当逻辑状态为,0,时,，计时器停止计时，,这样就可测量出物体通过光电门的时间。,R,R,U,OUT,5v,发光管,光电管,A,B,C,D,光电门的作用,1,：,测量时间,机械能守恒定律,测量摆锤通过光电门的时间,光电门测量时间的误差,S,S,圆柱体不存在这个问题,平均速度,v,=,s,/,t,光电门的作用,2,：,控制开关,光电门,1,、测量小球通过光电门的时间。,2,、小球离开轨道的瞬间，启动计时器。,平抛运动,压电陶瓷片采集落地时刻,光电门的作用,2,：,控制开关,以球体的前缘作为控制点,以球体的后缘作为控制点,光电门本身引起的误差,误差较大,机械能守恒,光电门校准后的实验界面,瞬时速度测定,的误差,光电门校准后的实验界面,进一步减小挡光片的宽度,减小挡光片的宽度，仍能保持测量精度,7,、,电压传感器,电压,转换器,12,V,输入信号,0,2.5,V,输出信号,8,、,电流传感器,电压,放大器,0,2.5,V,输出信号,1,A,输入信号,I,R,内阻,0.1,利用电压、电流传感器探究问题,照明灯频繁开关，为何容易坏？,或者：,“,长明灯,”,省钱，还是,“,随手关灯,”,省钱？,能否用实验来验证？,测量瞬间的电流变化,（探究小灯泡,U,I,关系）,电压、电流,传感器,电流,浪涌电流,产生浪涌电流的原因：,灯丝的冷电阻很小，当电压瞬间升高时，灯丝的升温需要有一个过程，在这一瞬间通过灯丝的电流很大，这就是浪涌电流；,随即灯丝温度急剧上升，电阻增大，电流也相应回落。,浪涌电流对电灯有害。,电压,小灯,缓慢,点亮,瞬间,测量小灯点亮过程中的电压和电流变化,浪涌电流的,抑制,NTC,（负温度系数）,热敏电阻器,将,NTC,热敏电阻串联在电路中。电源接通的瞬间，,NTC,的电阻值很大，从而抑制浪涌电流。此后，由于电流的热效应使,NTC,的温度升高，其电阻值下降，不会影响电路的正常运行。,NTC,热敏电阻,电视机接通电源的瞬间，,PTC,（正温度系数）,热敏电阻的电阻值很小，通过消磁线圈的大电流,（浪涌电流）,产生足够大的交变磁场进行消磁。,同时，由于电流很大，,PTC,元件自身发热，使其电阻迅速增大，从而使电流逐渐减小（接近于零），其线圈产生的磁场也迅速从强到弱，最终达到消磁目的。,220V,t,消磁线圈,PTC,浪涌电流的,利用,彩电的消磁,9,、,微电流传感器,电压高倍,放大器,与,转换器,0,2.5,V,输出信号,1,A,输入信号,I,R,灵敏电流计,用微电流传感器探测地球磁场,计算机,空调,电吹风,电视机,微波炉,电风扇,探究,生,活,中,的,电,磁,波,微波炉,工作时的电磁波,问：这些是微波吗？,手机发射与接收,CDMA,手机,GSM,手机,静音接收,0.62A,将扬声器当传感器使用,吹 气,声 响,手机发射,手机接收,连接微电流传感器,用小线圈测电磁波,手机的电磁波,（静音、无振动）,微电流传感器,微电流传感器的用途非常广。,可以通过适当方式，将需要测量的微弱信号转变为电学量，从而间接地检测各种非电信号。,制冷酒柜,化妆品冰箱,汽车冰箱,小巧的冰箱不用压缩机,陶 瓷 片,陶 瓷 片,P,P,N,N,I,冷 端,热 端,温差电致冷组件（半导体致冷片）,陶 瓷 片,电动机,电压差,温度差,这是什么器件？,塞贝克效应,珀尔帖效应,温 差 电 池,塞贝克效应片,温差越大,电机转动越快,热水,冷水,手掌接近时会产生电流,陶 瓷 片,陶 瓷 片,P,P,N,N,I,冷 端,热 端,陶 瓷 片,微电流传感器,探测红外线,传感器内有一个用弹簧片支撑的质量块，可以上下活动。,固定电极,1,与质量块之间构成电容,C,1,质量块与固定电极,2,之间构成电容,C,2,C,1,C,2,固定电极,1,质量块,固定电极,2,10,、,加速度传感器,电容式,加速度传感器,质量块,工 作 原 理,初始状态：间距,d,1,d,2,电容,C,1,C,2,当传感器向上加速运动时：,d,1,C,1,d,2,C,2,测量电容值，得到相应的加速度值。,C,1,C,2,d,2,d,1,C,1,C,2,d,1,d,2,硬盘防震,加速度传感器应用,安全气囊,颈椎运动测量,照相机防抖动系统,1,、,感光元件防抖,机身的,CCD,框架产生相对移动，对成像落点进行矫正,（索尼）,。,2,、,光学防抖,镜头中的对焦镜产生相对移动，对光路进行矫正,（佳能）,。,CCD,框架移动,加速度传感器,高速列车的车厢在转弯时会发生倾斜，而频繁的左右摆动，容易使人感觉晕眩。,利用,加速度传感器,，计算机根据列车转弯的半径和速度，自动调节每节车厢的倾斜角度，从而达到高速、安全、舒适的目的。,自动调节车厢摆动的摆式列车,列车转向架,步态信号采集系统,利用,加速度传感器,采集人的步态数据。,步态识别是一种生物识别技术。人走路的姿态是每个人特有的生物特征，难以隐藏，并可远距离、非接触地识别。,步态信号采集识别系统在疾病预防、诊断和康复、体育训练中可以起到辅助作用。,Wii,运动游戏机,网球比赛,加速度传感器,图像传感器,祝各位老师,实验教学获丰硕成果,谢 谢！,