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第六章传感器. 放大 转换. 电路. 电学量. 非电学量. 一、传感器的含义. 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）的一种组件，起自动控制作用。. 传感器应用的一般模式 :. 执行机构. 显示器 ( 指针式电表 ) ( 数字屏 ). 传感器. 计算机系统. 二、常用的几种传感器. 1 、干簧管. 是一种能感知磁场的传感器. 电阻随光照的增强而减小. 2 、光敏电阻. （半导体材料）. 3 、热敏电阻.
E N D
放大 转换 电路 电学量 非电学量 一、传感器的含义 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）的一种组件，起自动控制作用。 传感器应用的一般模式: 执行机构 显示器 (指针式电表) (数字屏) 传感器 计算机系统
二、常用的几种传感器 1、干簧管 是一种能感知磁场的传感器 电阻随光照的增强而减小 2、光敏电阻 （半导体材料） 3、热敏电阻 一般随温度升高电阻减小 （半导体材料） 4、金属热电阻 温度升高电阻增大 5、电容式位移传感器 6、霍尔元件
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
电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量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。
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
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。
应变片 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.
动圈式话筒 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
电容式话筒 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 A
温度传感器的应用-----电熨斗、电饭锅、测温仪 在电熨斗中,装有双金属片温度传感器,其作用是控制 电路的通断,当温度发生变化时, 双金属片的膨胀系数 不同,从而能控制电路的通断 电饭锅中的温度传感器主要元件是感温铁氧体， 它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁铁吸引， 但是上升到约103℃时，就失去了磁性，不能被磁体吸引了。 温度传感器可以把温度转换成电信号，由指针式仪表 或数字式仪表显示出来。 测温仪中的测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等， 还可以是红外线敏感元件等。
如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开关，手动闭合后，当此开关 温度达到居里点（103℃）时，会自动断开。S2是一个自动控温开关， 当温度低于70℃时会自动闭合；温度高于80℃时，会自动断开。 红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示灯。 分流电阻R1＝R2＝500Ω，计算加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。 （1）分析电饭煲的工作原理。 （2）计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比。 （3）简要回答，如果不闭合开关S1，能将饭煮熟吗？
（3）如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被 短路，功率为P1， 当温度上升到80℃时，自动断开，功率降为P2，温度降低到70℃ ，S2自动闭合。 温度只能在70℃—80℃之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭。
S A A A E V P E B P B S R0 R0 S V A E P B R0 （1）测物体的质量
角速度计 （2）测物体加（角）速度 A O ω O′ 输出电压U P B C S 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。 kx=m ω2(l+x) 解：设弹簧伸长x , 则 ∴ x= m ω2 l ／ ( k-mω2 ) 设滑动变阻器单位长度 的电阻为r1 U=IRx=Exr1 /l r1= Ex/ l ∴ U= Em ω2／(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。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 k S/m B．方向向右，大小为 k S/m C．方向向左，大小为 2k S/m D. 方向向右，大小为 2k S/m P U 10 0 10 D
P U U0 10 0 10 2.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。 解：a=2kS/m ∴ S=ma/2k U=U0 Rx / R = U0 S / L =maU0 / 2kL =mU0 a / 2kL∝a
R0 O A 电源 θ C/ C D P （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？
（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 B
a A E r R2 R3 R1 b 2。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 B 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，
３.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，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为 ( ) A. 1.9eV B. 0.6eV C . 2.5eV D. 3.1eV A 解：反向截止电压为0.60V， EKm= 0.60 eV W=hν- EKm= 2.5-0.6=1.9 eV
4.声电传感器 例题：（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
θ 甲 定片 金属芯线 电介质 乙 h 导电液体 5.电容式传感器 电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量（如角度、位移、深度等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，起这种作用的电容器称为电容式传感器。 角度θ 图甲是测量的电容式传感器，原理是 。 由于C∝S，动片与定片间的角度θ发生变化时，引起S的变化，通过测出C的变化，测量动片与定片间的夹角θ 液面高度h 图乙是测量的电容式传感器，原理是 。 由于C∝S，h发生变化，金属芯线和导电液体组成的电容发生变化，通过测定C的变化，可以测量液面高度h 的变化。
丙 F 可动电极 固定电极 极板 丁 x 电介质 图丙是测量的电容式传感器，原理是 。 压力F 由于C∝1/d，压力F 作用在可动电极上，引起极板间距d 的变化，通过测出C的变化，测量压力F的变化。 位移x 图丁是测量的电容式传感器，原理是 。 由于C 随着电介质进入极板间的长度发生变化，通过测出C的变化，测量位移x的变化。
题目：随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭，洗手后，将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近干手机能使传感器工作，是因为 （ ） A. 改变了湿度 B. 改变了温度 C. 改变了磁场 D. 改变了电容 D
N S 录音机 6.电感传感器 电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。 实例：磁性物质探测报警器
为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的（测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。假设磁体端部磁感强度为B=0.004T，且全部集中在端面范围内，与端面垂直，磁体宽度与线圈宽度相同，且都很小，线圈匝数n=5，长L=0.2m，电阻0.4Ω（包括引线电阻），测试记录下来的电流—位移如图所示。试求：为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的（测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。假设磁体端部磁感强度为B=0.004T，且全部集中在端面范围内，与端面垂直，磁体宽度与线圈宽度相同，且都很小，线圈匝数n=5，长L=0.2m，电阻0.4Ω（包括引线电阻），测试记录下来的电流—位移如图所示。试求： ⑴在离O（原点）30m，130m处列车的速度v1和v2的大小 ⑵假设列车是匀变速运动，求列车加速度的大小
B O S i /A 0.15 0.10 0 .05 S/m 0 50 100 150 -0 .05 -0.10 -0.15 解：I=E/R=nBLv/R v=IR/nBL= 0.4I／5×0.004×0.2= 100×I 在30m处，I1 =0.12A ∴v1=12m/s 在130m处，I2 =0.15A ∴v2=15 m/s ∴ a =（ v22 - v12）/ 2S = 0.405 m/s2
d b c e a 例、 用如图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。 解：热敏电阻受到光照射时电阻变小 ，将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端，如图示： 将学生用电源与电铃分别接入c、d、e之间。 正常时热敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，ce处于闭合，绿灯亮。 有险情时，光敏电阻值小， ab间电流大，磁性强，吸住衔铁，cd闭合，ce断开，绿灯灭，电铃响。
220V b c e a 练习、 用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控制路灯的实验电路。要求是：光暗时灯亮，光亮时灯灭。可供选择的器材如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。 解：光敏电阻受到光照射时电阻变小 ，将光敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端，如图示： 将交流电源与路灯接入c、e之间。 光暗时光敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，ce处于闭合，灯亮。 光亮时，光敏电阻值小， ab间电流大，磁性强，吸住衔铁，电路ce处断开，灯灭。
03年上海高考18、 （7分）图1为某一热敏电阻R(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。 ⑴为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图；简要说明理由： 。（电源电动势为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0-100Ω） ⑵在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为Ω。 ⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子：_____________。 I/mA 50 40 V A A 30 R2 20 R1 热敏电阻 9V R 10 0 1 2 3 4 5 6 7 U/V 图1 图2 图4 图3 V A 2 电压可从0V调到所需电压，调节范围较大 5.2 111.6—112.0 热敏温度计 解: ⑵ I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA 由图1得 UR=5.2V R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 Ω
θ 如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于Ω档，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ， 现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ ′，则可判断 （ ） A. θ ′= θ B. θ ′< θ C. θ ′>θ D. 不能确定θ和 θ 的关系′ B
03年上海理综10 五、传感器可将非电学量转化为电学量，起自动控制作用。如计算机鼠标中有位移传感器，电熨斗、电饭煲中有温度传感器，电视机、录像机、影碟机、空调机中有光电传感器…… 10．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
03年上海理综11 11．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
03年上海理综12 12．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于这类传感器的是 （ ） A．红外报警装置 B．走廊照明灯的声控开关 C．自动洗衣机中的压力传感装置 D．电饭煲中控制加热和保温的温控器 A
m 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=2.0 m/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=10 m/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？
解： （1） （2） 原来 F F=10N F a3 a2 a F2 F1 =6N mg mg mg m 上顶板示数是下底板示数的1/2 向上做匀减速运动a向下a=2m/s2 上顶板示数为零，则弹簧变短， 弹簧长度不变F=10N F2=5N F≥10N F3=0 F – mg = ma3 mg+F1-F=ma a3 ≥ 10m/s2 mg+F2-F=ma2 m=0.5kg 向上加速或向下减速，加速度a≥ 10m/s2。 a2=0 静止或匀速运动
解： （1） （2） 原来 F=10N F a3 a F1 =6N mg mg m F a2 F2 mg 上顶板示数是下底板示数的1/2 上顶板示数为零，则弹簧变短， 向上做匀减速运动a=2m/s2 弹簧长度不变F=10N F2=5N F≥10N F3=0 mg+F1-F=ma F – mg = ma3 a3 ≥ 10m/s2 mg+F2-F=ma2 m=0.5kg 向上加速或向下减速，加速度a≥ 10m/s2。 a2=0 静止或匀速运动
