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第五章 傳感器
第一節：認識傳感器
（1、傳感器）
（2、傳感器的原理和分類）
第二節：常見傳感器的工作原理及應用
（1、光敏電阻）
（2、熱敏電阻和金屬熱電阻）
（3、應變式力傳感器）
（4、電容式傳感器）
（5、聲傳感器）
（6、溫度傳感器）
（7、傳感器應用的一般模式）
第三節：利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
（1、電飯鍋的工作原理）
（2、火災報警器的工作原理）
（3、斯密特觸發器）
（4、蜂鳴器）
（5、鼠標）
（6、常見傳感器的應用）
（7、常見電學原件的原理）
第一節 傳感器
一、傳感器
1．定義：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，或轉化為電路的通斷的器件或者裝置。
2.功能：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、傳感器的原理和分類
1．傳感器原理
傳感器感受的通常是非電學量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經過放大后，再送給控制系統產生各種控制動作。傳感器原理如下圖所示。
2．傳感器的分類
常用傳感器是利用某些物理、化學或生物效應進行工作的。根據測量目的不同，可將傳感器分為物理型、化學型和生物型三類。
物理型傳感器是利用被測量物質的某些物理性質（如電阻、電壓、電容、磁場等）發生明顯變化的特性制成的，如光電傳感器、力學傳感器等。
化學型傳感器是利用能把化學物質的成分、濃度等化學量轉換成為電學量的敏感元件制成的。
生物型傳感器是利用各種生物或生物物質的特性做成的，用以檢測與識別生物體內化學成分的傳感器，生物或生物物質主要是指各種酶、微生物、抗體等，分別對應酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器等等。
第二節 常見傳感器的工作原理及應用
一、光敏電阻
1、特點：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻大小這個電學量，一般隨光照的增強電阻值減小。
2、原理：光敏電阻是用半導體材料制成的，硫化鎘在無光時，載流子（導電電荷）極少，導電性能不好，隨著光照的增強，載流子增多，導電性能變好。
二、熱敏電阻和金屬熱電阻
1、 熱敏電阻：
用半導體材料制成，其電阻值隨溫度變化明顯。如圖為某一熱敏電阻的電阻—溫度特性曲線。
　　　　
理解：
（1）在工作溫度范圍內，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數（）熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數（）熱敏電阻器。
（2）熱敏電阻器的應用十分廣泛，主要應用于：
①利用電阻—溫度特性來測量溫度、控制溫度和元件、器件、電路的溫度補償。
②利用非線性特性完成穩壓、限幅、開關、過流保護作用。
③利用不同媒質中熱耗散特性的差異測量流量、流速、液面、熱導、真空度等。
④利用熱慣性作為時間延時器。
2、金屬熱電阻
有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的金屬也可以制作溫度傳感器，稱為金屬熱電阻。
理解：
熱敏電阻或金屬熱電阻都能把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量，但相比而言，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較高。
三、應變式力傳感器
1、組成：由金屬梁和應變片組成。
2、工作原理：如圖所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應變片，左梁的自由端施力，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，下表面電阻變小。越大，彎曲形變越大，應變片的阻值變化越大。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。外力越大，輸出的電壓差值也就越大。
四、電容式傳感器
如圖所示，當待測壓力作用于可動膜片電極上時，可使膜片產生形變，從而引起電容的變化，如果將電容器與靈敏電流表、電源串聯，組成閉合電路，當向上壓膜片電極時，電容器的電容將增大，電流表有示數。
聲傳感器--話筒
1．話筒的作用
把聲音信號轉換為電信號。
2．電容式話筒
（1）原理：如圖所示，是絕緣支架，薄金屬膜和固定電極形成一個電容器，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，于是電阻兩端就輸出了與聲音變化規律相同的電壓。
（2）優點：保真度好。
3．駐極體話筒
（1）極化現象：將電介質放人電場中，在前后兩個表面上會分別出現正電荷與負電荷的現象。
（2）駐極體：某些電介質在電場中被極化后，去掉外加電場，仍然會長期保持被極化的狀態，這種材料稱為駐極體。
（3）原理：同電容式話筒，只是內部感受聲波的是駐極體塑料薄膜。
（4）特點：體積小，重量輕，價格便宜，靈敏度高，工作電壓低。
六、溫度傳感器---電熨斗
1．溫度傳感器：
由半導體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把熱信號轉換為電信號進行自動控制。
2．電熨斗的構造
如圖所示。
3．電熨斗的自動控溫原理
內部裝有雙金屬片溫度傳感器，如圖所示，其作用是控制電路的通斷。
常溫下，上、下觸頭應是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小，雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電源，停止加熱。溫度降低后，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱，這樣循環進行，起到自動控制溫度的作用。
注意：熨燙棉麻衣物和熨燙絲綢衣物需要設定不同的溫度，此時可通過調溫旋鈕調節升降螺絲，升降螺絲帶動彈性銅片升降，從而改變觸點接觸的難易，達到控制在不同溫度的目的。
傳感器應用的一般模式
第三節 利用傳感器制作簡單的自動控制裝置
一、電飯鍋的工作原理
1．感溫鐵氧體
（1）組成：氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末。
（2）特點：常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，溫度達到約時，失去鐵磁性。
（3）居里點：又稱居里溫度，即指。
2．電飯鍋的結構
如圖所示：
3．電飯鍋的工作原理
開始煮飯時，用手壓下開關按鈕，永磁體與感溫磁體相吸，手松開后，按鈕不再恢復到圖示狀態，則觸點接通，電熱板通電加熱，水沸騰后，由于鍋內水保持不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續加熱，直到飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度升高，溫度升至居里點時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電源從而停止加熱。
注意：如果用電飯鍋燒水，在水沸騰后因為水溫保持在，故不能自動斷電，只有水燒干后，溫度升高到才能自動斷電。
二、火災報警器的工作原理
1、如圖所示為利用煙霧對光的散射來工作的一種火災報警器。
2、帶孔的罩子內裝有發光二極管、光電三極管和不透明的擋板。平時，光電三極管收不到發出的光，呈現高電阻狀態。煙霧進入罩內后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小。與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發出警報。
3、注意：常見的光傳感器：光敏電阻、光電管、光電二極管、光電三極管等。
三、斯密特觸發器
1、特點：當輸入端電壓逐漸上升到某一個值（）時，輸出端會突然突然從高電平跳到低電平（），當輸入端電壓下降到另一個值（）時，輸出端會從低電平跳到高電平（）。
2、工作原理：對于如圖所示的光控電路：
白天，光強度較大，光敏電阻電阻值較小，加在斯密特觸發器端的電壓較低，則輸出端輸出高電壓，發光二極管不導通；當天色暗到一定程度時，的阻值增大到一定值，斯密特觸發器的輸入端的電壓上升到某個值（），輸出端突然從高電平跳到低電平，則發光二極管導通發光（相當于路燈亮了），這樣就達到了使路燈天明熄滅，天暗自動開啟的目的。
注意：要想在天更暗時路燈才會照亮，應該把的阻值調大些，這樣要使斯密特觸發器的輸入端電壓達到某個值（如），就需要的阻值達到更大，即天色更暗。
4．另一電路分析
由于集成電路允許通過的電流較小，要用白熾燈模仿路燈，就要使用繼電器來啟閉供電電路，如圖所示。燈泡可用“”的，繼電器可以使用型微型繼電器以便能夠插在實驗板上。圖中為繼電器，工作電壓為，為它的常開觸點。
注意：（1）二極管具有單向導電性，在電路中不能反接，否則電磁繼電器將不能正常工作。
（2）圖中與是相互聯系的整體。
（3）在控制電路中之所以并聯一只二極管，是為了防止電磁繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞集成電路。二極管的存在可以提供自感電流的通路。
蜂鳴器（報警器）
1、電路原理如圖所示，
2、工作原理：常溫下，調整的阻值使斯密特觸發器的輸入端處于低電平，輸出端處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發聲；當溫度升高時，熱敏電阻阻值減小，斯密特觸發器輸入端電勢升高，當達到某一值（高電平），其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發出報警聲，的阻值不同，則報警溫度不同。
3、注意：要使熱敏電阻在感測到更高的溫度時才報警，應減小的阻值，阻值越小，要使斯密特觸發器輸入端達到高電平，則熱敏電阻阻值要求越小，即溫度越高。
五、鼠標--光傳感器應用
1．機械式鼠標：其內部組成如圖所示，包括滾球、滾軸與碼盤、紅外發射管與紅外接收管（光傳感器）。
2、工作原理：鼠標器移動時，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。
六、常見傳感器應用
1．生活中的傳感器
（1）與溫度控制相關的家用電器：電飯煲、電冰箱、微波爐、空調、消毒碗柜等，都用到溫度傳感器。
（2）紅外傳感器：自動門、家電遙控器、生命探測器、非接觸紅外測溫儀以及防盜、防火報警器等。
（3）照相機中的光傳感器和家用便攜式電子秤的壓力傳感器。
2．農業生產中的傳感器
（1）濕度傳感器：判斷農田的水分蒸發情況，自動供水或停水。
（2）溫度傳感器和濕度傳感器，可對上百個點進行溫度和濕度監測。由于有了十分先進可靠的測試技術，有效地減少了霉變現象。
3．工業生產中的傳感器
（1）生產的自動化和半自動化。用機器人、自動化小車、自動機床、各種自動生產線或者系統，代替人完成加工、裝配、包裝、運輸、存儲等工作。各種傳感器使生產的自動運行保持在最佳狀態，以確保產品質量，提高效率和產量，節約原材料等。
（2）在數控機床中的位移測量裝置，就是利用高精度位移傳感器進行位移測量，從而實現對零部件的精密加工。
4．飛向太空的傳感器
在航空、航天技術領域，傳感器應用得較早，也應用得較多，在運載火箭、載人飛船中，都應用了大量的傳感器供遙測和遙控系統使用。這些傳感器對控制航天器的姿態、接收和發送信息、收集太空數據等都有重要作用。在載人飛船中還使用一類測量航天員各種生理狀況的生理傳感器，如測量血壓、心電圖、體溫等。
七、常見電學元件的原理和應用
1．普通二極管和發光二極管
（1）都具有單向導電性。
（2）發光二極管除了具有單向導電性外，導電時還能發光。普通的發光二極管是用磷化鎵或磷砷化鎵等半導體材料制成，直接將電能轉化為光能，該類發光二極管的正向導通電壓大于。
2．晶體三極管
（1）晶體三極管能夠把微弱的信號放大。晶體三極管的三極分別是發射極、基極和集電極。
（2）傳感器輸出的電流或電壓很微弱，用一個三極管可以放大幾十倍以至上百倍。三極管的放大作用表現為基極的電流對集電極的電流起了控制作用。
3．邏輯電路
（1）對于與門電路，只要一個輸入端輸入為“”，則輸出端一定是“”；反之，只有當所有輸入端都同時為“”，輸出端才是“”。
（2）對于或門電路，只要有一個輸入端輸入為“”，則輸出端一定是“”；反之，只有當所有輸入端都為“”時，輸出端才是“”。
（3）非門電路中，當輸入端為“”時，輸出總是“”；當輸入端為“”時，輸出端反而是“”。非門電路也稱反相器。
（4）斯密特觸發器是具有特殊功能的非門。

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