第3講傳感器的原理及應用

一、傳感器的概念傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等

非電學量，并能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等

電學

量，或轉換為電路的

通斷

.把非電學量轉換為電學量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了．

二、常用傳感器元器件工作原理

1．光敏電阻：光敏電阻的材料是一種半導體，無光照時，載流子少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變

好

.

光敏電阻能夠把光照強弱這個非電學量轉換為電阻這個電學量．

2．熱敏電阻和金屬熱電阻：熱敏電阻分為負溫度系數和正溫度系數兩種類型，它們的電阻率分別隨溫度的升高而

減小

和

增大

.金屬的電阻率隨溫度的升高而

增大

，用金屬絲可以制作

溫度

傳感器，稱為

熱電阻

.與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的

化學穩定性

好，測溫范圍

大

，但

靈敏度

較差．熱敏電阻或金屬熱電阻能夠把

溫度

這個熱學量轉換為

電阻這個電學量．

3．霍爾元件：霍爾元件能夠把

磁感應強度

這個

磁學

量轉換為

電壓

這個電學量．

4．應變式力傳感器：應變式力傳感器是由金屬梁和應變片組成的．應變片是一種敏感元件．彈簧鋼制成的梁形元件一端固定，在梁的上下表面各貼一個應變片，在梁的自由端施加向下的力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻

變大

，下表面的電阻

變小

.F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大．如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上面應變片兩端的電壓

變大

，下面應變片兩端的電壓

變小.傳感器把這兩個電壓的差值輸出．力F越大，輸出的電壓差值也就越

大

.

應變片能夠把物體

形變

這個力學量轉換為電壓這個電學量．

5．干簧管：普通干簧管有兩個簧片，是用有彈性的

軟磁性材料制成的，它們密封在玻璃管中，成為一組常開型觸點．管中充入惰性氣體來防止觸點被氧化．當磁體靠近(按一定方位)干簧管時，兩個簧片被磁化而接通．干簧管將磁場的變化轉換成電路的

通斷.

6．雙金屬片：雙金屬片巧妙地利用了不同金屬熱膨脹的差異．把膨脹系數不同的兩種金屬片黏合在一起，常溫下是直的，當加熱時，由于兩種金屬的膨脹程度不同，雙金屬片就會向膨脹程度小的金屬片那一側彎曲．7．感溫鐵氧體：感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結而成的，它的特點是：常溫下具有

鐵磁性

，能夠被磁體吸引，但是溫度上升到約103℃時，就失去了

鐵磁性

，不能被磁體吸引了．這個溫度在物理學中稱為該材料的“居里溫度”或“

居里點

”．

三、傳感器的分類傳感器可以根據其利用的元器件進行分類，如電容式傳感器、電阻式傳感器、電感式傳感器等．也可以按其轉換的信號來分類，一般可以分為：力電傳感器、熱電傳感器、聲電傳感器、光電傳感器等．

圖10-3-11．聲傳感器的應用——動圈式話筒與電容式話筒話筒是將聲信號轉換為電信號的聲傳感器．如圖10-3-1所示的是動圈式話筒的構造，是利用電磁感應現象制成的．其工作原理是：當聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈(叫音圈)隨著一起振動．音圈在永磁鐵的磁場中振動，其中就產生感應電流，感應電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化由聲波決定，這就將聲信號轉換成電信號，這個電信號經擴音器放大后傳給揚聲器，從揚聲器中就發出放大聲音．

電容式話筒的工作原理如圖10-3-2所示．Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電．當聲波使膜片振動時，電容發生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規律相同的電壓．圖10-3-2

2．熱傳感器的應用——電熨斗圖10-3-3為電熨斗的結構圖．電熨斗是利用雙金屬片溫度傳感器來控制電路的通斷的．圖中雙金屬片上層金屬的膨脹系數大于下層金屬．10-3-3常溫下，電熨斗的上下觸點應當是接觸的，當溫度達到設定溫度時，雙金屬片向下彎曲到一定程度，從而使觸點分離，使電熱絲停止加熱．如果需要設定較高的溫度，應調節調溫旋鈕，使升降螺絲下降一些，可使在更高的溫度時，觸點再分離．

3．光傳感器的應用——鼠標如圖10-3-4所示，在機械式鼠標的碼盤兩側分別裝有紅外發射管(LED)及紅外接收管，兩個紅外接收管就是兩個光傳感器．當鼠標在桌面上移動時，滾球的運動通過滾軸帶動兩個碼盤轉動，紅外接收管就收到斷續的紅外線脈沖，輸出相應的電脈沖信號．計算機分別統計x、y兩個方向的脈沖信號，處理后就使屏幕上的光標產生相應的位移．圖10-3-44．傳感器應用電路設計——光控開關電路如圖10-3-5所示，是用發光二極管(LED)模仿路燈的光控電路，Rg為光敏電阻，R1是變阻器，斯密特觸發器是具有特殊功能的非門．圖10-3-5當天色較亮時，光敏電阻Rg的阻值較小，輸入端A電平較低，輸出端Y電平較高，路燈不亮；當天色較暗時，光敏電阻Rg的阻值較大，輸入端A電平較高，輸出端Y電平較低，路燈發光．若想要天色更暗時路燈才會點亮，可以將可變電阻R1阻值調大一些．

1．傳感器的工作原理

例1：如圖10-3-6所示，圖(甲)為熱敏電阻的R－t圖象，圖10-3-6(乙)為用此熱敏電阻R和繼電器組成的一個簡單恒溫箱電路，繼電器線圈的電阻為150Ω.圖10-3-6當線圈中的電流大于或等于20mA時，繼電器的銜鐵被吸合．為繼電器線圈供電的電池電動勢E＝6V，內阻可以不計．圖中“電源”是恒溫箱加熱器的電源．

(1)應該把恒溫箱內的加熱器接在A、B端還是C、D端？

(2)如果要使恒溫箱內的溫度保持100℃，可變電阻R′的阻值應調節為多少？

解析：由(甲)圖線知，熱敏電阻R的阻值隨溫度升高而減小，因而電磁繼電器電路中的電流增大，當電流增大到20mA時，銜鐵被吸下，觸點與A分離而與C接觸，此時應該斷開加熱電路，所以加熱器應接在A、B之間．

(1)應將加熱器接在A、B端．

變式訓練1：(風力測定儀)如圖10-3-7所示為一種測定風作用力的儀器原理圖，圖中P為金屬球，懸掛在一細長裸金屬絲下面，O是懸掛點，R0是保護電阻，CD是水平放置的光滑電阻絲，與懸掛小球的細金屬絲始終保持良好接觸，無風時細金屬絲與電阻絲在C點接觸，此時電路中的電流為I，圖10-3-7有風時細金屬絲將偏轉一角度θ(θ與風力大小有關)，細金屬絲與電阻絲在B點接觸，已知風力方向水平向左，OC＝h，CD＝L，球的質量為M，電阻絲單位長度的電阻為k，電源內電阻和細金屬絲電阻均不計，金屬絲偏轉θ角時，電流表的示數為I′，此時風力大小為F，試寫出：

(1)風力大小F與θ的關系式；

(2)風力大小F與電流表示數I′的關系式．

(3)此裝置所測定的最大風力是多少？

2．傳感器的應用

例2：唱卡拉OK用的話筒，內有傳感器．其中有一種是動圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當聲波使膜片前后振動時，就將聲音信號轉變為電信號．下列說法正確的是(

)A．該傳感器是根據電流的磁效應工作的

B．該傳感器是根據電磁感應原理工作的

C．膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通量不變

D．膜片振動時，金屬線圈中不會產生感應電動勢

解析：電話筒的工作原理，可知話筒的傳感器是根據電磁感應原理工作的，故B正確．

【答案】B方法點撥：傳感器及其應用：傳感器品種工作原理可被測定的非電學量電容傳感器電容量變化力、壓力、加速度、液面等霍爾傳感器霍爾效應磁場等壓電傳感器壓電效應壓力、加速度、距離等熱電傳感器熱電效應明火、熱分布等光電傳感器光電效應煙霧、輻射、計數等

變式訓練2：用電流傳感器可以清楚地演示一些電學元件對電路中電流的影響，如圖10-3