传感器的工作原理及应用.ppt

传感器及其工作原理 一 什么是传感器 阅读课本思考问题 1 什么是传感器 2 传感器的作用是什么 传感器是指这样一类元件 它能够感知诸如力 温度 光 声 化学成分等非电学量 并把它们按照一定的规律转化成电压 电流等电学量 或转化为电路的通断 传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断 从而实现很方便地测量 传输 处理和控制 非电学量 传感器 电学量 角度位移速度压力温度湿度声强光照 传感器 电压电流电阻电容 一 什么是传感器 阅读课本 思考问题 1 光敏电阻的电阻率与什么有关 2 光敏电阻受到光照时会发生什么变化 怎样解释 3 光敏电阻能够将什么量转化为什么量 光敏电阻的电阻率与光照强度有关 光敏电阻受到光照时电阻会变小 硫化镉是一种半导体材料 无光照时 载流子极少 导电性能不好 随着光照增强 载流子增多 导电性能变好 光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量 二 光敏电阻 阅读课本 思考问题 三 热敏电阻和金属热电阻 1 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 2 热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点 3 热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量 不相同 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 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 将热学量 温度 转化为电阻这个电学量 电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量 插入电介质 电容增大 一个确定的霍尔元件的d k为定值 再保持I不变 则UH的变化就与B成正比 这样 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 四 霍尔元件 有定值电阻 热敏电阻 光敏电阻三只元件 将这三只元件分别接入如图所示电路中的A B两点后 用黑纸包住元件或者把元件置入热水中 观察欧姆表的示数 下列说法中正确的是 AC 课堂练习 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 用黑纸包住元件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 用黑纸包住元件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 6 2传感器的应用 传感器应用的一般模式 思考 为什么要经过放大转换电路 1 传感器输出的信号相当微弱 难以直接带动执行机构去实现控制 2 输出的信号进行远距离传送时 为了抵御外界干扰 必须先将信号转换为其他的电信号 力传感器的应用 电子秤 1 测物体的质量 1 电子秤使用的测力装置 力传感器 力传感器的应用 电子秤 2 常见的一种力传感器 应变片是一种敏感元件 多用半导体材料制成 3 力传感器的工作原理 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 力F越大 电压差就越大 温度传感器的应用 电熨斗 1 电熨斗中的温度传感器对温度的控制 1 达到设定温度后将不再升温 2 使用中温度降低后自动升温到设定温度 3 根据衣物不同设定不同的温度 2 电熨斗中的传感器 双金属片温度传感器 3 电熨斗的结构 上层金属片的热膨胀系数大于下层的金属片 作用 控制电路的通断 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 实验研究 报废的日光灯的启动器 去掉外壳 在充有氖气的玻璃泡内 可以看到一个U形的双金属片 动触片 其旁边有一根直立的金属丝 静触片 常温下两触片处于分离 敲碎玻璃泡 用火焰靠近双金属片 其形状发生变化 并与直立的金属丝接触 移走火焰 双金属片恢复原状 两者分开 相当于一个由温度控制通断的开关 电熨斗中的双金属片工作原理 根据热胀冷缩 利用两种金属的膨胀性能的不同 常温下两触点接触 电路连通 电热丝加热 升温后双金属片形状发生变化 上层比下层膨胀大 双金属片向下弯曲 两触点处于分离 电路断开 电热丝停止加热 这样不断循环 实现自动控制温度的目的 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 电熨斗中的双金属片工作原理 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 根据衣物的不同 调节调温旋钮 使升降螺丝上下移动 带动弹性铜片的升降 从而改变了两触点接触的难易程度 实现控制温度不同的目的 温度传感器的应用 电饭锅 1 电饭锅中的温度传感器 主要元件是感温铁氧体 2 感温铁氧体是用氧化锰MnO2 氧化锌ZnO和氧化铁Fe2O3粉末混合烧结而成 特点是常温下具有铁磁性 能够被磁体吸引 升温后 约达103 称为居里温度或居里点 时 就会失去磁性 不能被磁体吸引 3 电饭锅的结构 1 开始煮饭时 用手压下开关按钮 利用感磁体常温下的铁磁性 可知永磁体与感温磁体将相吸 手松开后 按钮不再恢复到图示状态 即触点连通 2 水沸腾后 锅内保持100 不变 故感温磁体仍与永磁体相吸 继续加热 锅内大致保持100 不变 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103 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 当温度降低后 再次感温磁体与永磁体相吸 继续加热 电饭锅中的感温磁体工作原理 请问生活中能用电饭锅烧开水吗 思考与讨论 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 温度升高到大约1030C时才能自动断电 光传感器的应用 火灾报警器 1 天花板上的火灾报警器 是利用烟雾对光的散射来工作的 2 如图所示 带孔的罩子内装有发光二极管LED 光电三极管 特性 强光下电阻将变小 和不透明的挡板 平时 因挡板的作用 光电三极管收不到LED发出的光 电阻较大 当有烟雾进入罩内 由于烟 雾对光的散射 使部分光线照射到光电三极管上 导致其电阻变小 与之相连的电路检测到这种变化 就会发出警报 实验研究 测量光照的强度 太阳光 烛光 白炽灯光 日光灯的灯光等 科学漫步 机器人 来自BBC的报道 日本大阪大学科学家日前发明出一种完全具有人类女性外貌的机器人 ReplieeQ1 她 能眨眼 说话 做手势 甚至呼吸 皮肤则由类似人类皮肤的硅化物覆盖而成 加速度计 如图所示为一个加速度传感器 质量为m的滑块2可以在光滑的框架1中平移 滑块两侧用弹簧3拉着 R为滑动变阻器 4是滑动片 它与电阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离成正比 两个电池E的电压相同 电压表指针的零点调在中央 当P端的电势高于Q端时 指针向零点右侧偏转 当物体具有图示方向的加速度a时 电压表的指针将向哪个方向偏转 1 滑动片4指在变阻器正中央时 P Q等势 电压表指在中央零刻度 2 如图滑动片4向左端滑动 左端电阻小 电流流过时电势降落小 故Q点电势高于P 电压表指针向零点左侧偏 且加速度越大 偏转越大 恒温箱 如图所示 用图甲的热敏电阻与继电器组成图乙所示的一个简单恒温箱温控电路 继电器线圈电阻为150 当线圈中的电流大于或等于20mA时 继电器的衔铁被吸合 继电器供电的电池E 6V 内阻可不计 图中的电源为恒温箱加热器的电源 则 1 应该把恒温箱的加热器接在A B端还是C D端 2 要使箱内温度保持1000C 可变电阻R 的值应调节为多少 1 加热器应接在A B端 析 温度超过后 R电阻减小 线圈电流增大 衔铁被吸合 与C D接通 A B断开 加热器停止加热 2 可变电阻为100 楼道灯光 1 楼道灯具的设置要求 晚上 有声音时 电灯就发光 2 同时使用两种传感器 声传感器 微型驻极体话筒 和光传感器 光敏电阻 3 采用的逻辑电路是与门 磁传感器 1 利用线性霍尔元件 测量电流的大小 2 利用开关型霍尔元件 测量物体的转速 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 课堂练习 2 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 课堂练习 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 课堂练习 4 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 课堂练习 5 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 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1kS mB 方向向右 大小为1kS mC 方向向左 大小为2kS mD 方向向右 大小为2kS m D 课堂练习 U mU0a 2kL a 思考 若图中稳压电源为U0 变阻器总长为L 试写出U与a的函数关系式 光控开关的工作原理 1 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 2 当天色暗到一定程度 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 如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 目的 使路灯天明熄灭 天暗自动开启 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 控制电路的工作原理 1 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 2 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 3 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 思考与讨论 1 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 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 2 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 温度报警器的工作原理 1 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 2 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 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 思考与讨论 课堂练习 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 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 2 用如图所示的电磁继电器设计一个高温报警器 要求是 正常情况绿灯亮 有险情时电铃报警 可供选择的器材如下 热敏电阻 绿灯泡 小电铃 学生用电源 继电器 滑动变阻器 开关 导线 课堂练习