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第五章 传感器
第一节：认识传感器
（1、传感器）
（2、传感器的原理和分类）
第二节：常见传感器的工作原理及应用
（1、光敏电阻）
（2、热敏电阻和金属热电阻）
（3、应变式力传感器）
（4、电容式传感器）
（5、声传感器）
（6、温度传感器）
（7、传感器应用的一般模式）
第三节：利用传感器制作简单的自动控制装置
（1、电饭锅的工作原理）
（2、火灾报警器的工作原理）
（3、斯密特触发器）
（4、蜂鸣器）
（5、鼠标）
（6、常见传感器的应用）
（7、常见电学原件的原理）
第一节 传感器
一、传感器
1．定义：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的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断的器件或者装置。
2.功能：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
二、传感器的原理和分类
1．传感器原理
传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。
2．传感器的分类
常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。
物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。
化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。
生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。
第二节 常见传感器的工作原理及应用
一、光敏电阻
1、特点：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。
2、原理：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。
二、热敏电阻和金属热电阻
1、 热敏电阻：
用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
　　　　
理解：
（1）在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数（）热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数（）热敏电阻器。
（2）热敏电阻器的应用十分广泛，主要应用于：
①利用电阻—温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿。
②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用。
③利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等。
④利用热惯性作为时间延时器。
2、金属热电阻
有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。
理解：
热敏电阻或金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较高。
三、应变式力传感器
1、组成：由金属梁和应变片组成。
2、工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，左梁的自由端施力，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面电阻变小。越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出的电压差值也就越大。
四、电容式传感器
如图所示，当待测压力作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流表、电源串联，组成闭合电路，当向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流表有示数。
声传感器--话筒
1．话筒的作用
把声音信号转换为电信号。
2．电容式话筒
（1）原理：如图所示，是绝缘支架，薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
（2）优点：保真度好。
3．驻极体话筒
（1）极化现象：将电介质放人电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象。
（2）驻极体：某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状态，这种材料称为驻极体。
（3）原理：同电容式话筒，只是内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。
（4）特点：体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低。
六、温度传感器---电熨斗
1．温度传感器：
由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。
2．电熨斗的构造
如图所示。
3．电熨斗的自动控温原理
内部装有双金属片温度传感器，如图所示，其作用是控制电路的通断。
常温下，上、下触头应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，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。
注意：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，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的。
传感器应用的一般模式
第三节 利用传感器制作简单的自动控制装置
一、电饭锅的工作原理
1．感温铁氧体
（1）组成：氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末。
（2）特点：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，温度达到约时，失去铁磁性。
（3）居里点：又称居里温度，即指。
2．电饭锅的结构
如图所示：
3．电饭锅的工作原理
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，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内水保持不变，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，锅底温度升高，温度升至居里点时，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。
注意：如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到才能自动断电。
二、火灾报警器的工作原理
1、如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器。
2、带孔的罩子内装有发光二极管、光电三极管和不透明的挡板。平时，光电三极管收不到发出的光，呈现高电阻状态。烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。
3、注意：常见的光传感器：光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等。
三、斯密特触发器
1、特点：当输入端电压逐渐上升到某一个值（）时，输出端会突然突然从高电平跳到低电平（），当输入端电压下降到另一个值（）时，输出端会从低电平跳到高电平（）。
2、工作原理：对于如图所示的光控电路：
白天，光强度较大，光敏电阻电阻值较小，加在斯密特触发器端的电压较低，则输出端输出高电压，发光二极管不导通；当天色暗到一定程度时，的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端的电压上升到某个值（），输出端突然从高电平跳到低电平，则发光二极管导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。
注意：要想在天更暗时路灯才会照亮，应该把的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端电压达到某个值（如），就需要的阻值达到更大，即天色更暗。
4．另一电路分析
由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯模仿路灯，就要使用继电器来启闭供电电路，如图所示。灯泡可用“”的，继电器可以使用型微型继电器以便能够插在实验板上。图中为继电器，工作电压为，为它的常开触点。
注意：（1）二极管具有单向导电性，在电路中不能反接，否则电磁继电器将不能正常工作。
（2）图中与是相互联系的整体。
（3）在控制电路中之所以并联一只二极管，是为了防止电磁继电器释放衔铁时线圈中的自感电动势损坏集成电路。二极管的存在可以提供自感电流的通路。
蜂鸣器（报警器）
1、电路原理如图所示，
2、工作原理：常温下，调整的阻值使斯密特触发器的输入端处于低电平，输出端处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻阻值减小，斯密特触发器输入端电势升高，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，的阻值不同，则报警温度不同。
3、注意：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小的阻值，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。
五、鼠标--光传感器应用
1．机械式鼠标：其内部组成如图所示，包括滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管（光传感器）。
2、工作原理：鼠标器移动时，滚球的运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号，计算机分别统计两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。
六、常见传感器应用
1．生活中的传感器
（1）与温度控制相关的家用电器：电饭煲、电冰箱、微波炉、空调、消毒碗柜等，都用到温度传感器。
（2）红外传感器：自动门、家电遥控器、生命探测器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等。
（3）照相机中的光传感器和家用便携式电子秤的压力传感器。
2．农业生产中的传感器
（1）湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动供水或停水。
（2）温度传感器和湿度传感器，可对上百个点进行温度和湿度监测。由于有了十分先进可靠的测试技术，有效地减少了霉变现象。
3．工业生产中的传感器
（1）生产的自动化和半自动化。用机器人、自动化小车、自动机床、各种自动生产线或者系统，代替人完成加工、装配、包装、运输、存储等工作。各种传感器使生产的自动运行保持在最佳状态，以确保产品质量，提高效率和产量，节约原材料等。
（2）在数控机床中的位移测量装置，就是利用高精度位移传感器进行位移测量，从而实现对零部件的精密加工。
4．飞向太空的传感器
在航空、航天技术领域，传感器应用得较早，也应用得较多，在运载火箭、载人飞船中，都应用了大量的传感器供遥测和遥控系统使用。这些传感器对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等都有重要作用。在载人飞船中还使用一类测量航天员各种生理状况的生理传感器，如测量血压、心电图、体温等。
七、常见电学元件的原理和应用
1．普通二极管和发光二极管
（1）都具有单向导电性。
（2）发光二极管除了具有单向导电性外，导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓或磷砷化镓等半导体材料制成，直接将电能转化为光能，该类发光二极管的正向导通电压大于。
2．晶体三极管
（1）晶体三极管能够把微弱的信号放大。晶体三极管的三极分别是发射极、基极和集电极。
（2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极的电流对集电极的电流起了控制作用。
3．逻辑电路
（1）对于与门电路，只要一个输入端输入为“”，则输出端一定是“”；反之，只有当所有输入端都同时为“”，输出端才是“”。
（2）对于或门电路，只要有一个输入端输入为“”，则输出端一定是“”；反之，只有当所有输入端都为“”时，输出端才是“”。
（3）非门电路中，当输入端为“”时，输出总是“”；当输入端为“”时，输出端反而是“”。非门电路也称反相器。
（4）斯密特触发器是具有特殊功能的非门。

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