传感器专题复习扬州市江都区育才中学

第六章《传感器》
一、传感器：
1、含义：将非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光强等）转换成电学量（如电流、电压、电容等）的一种组合元件，起测量和自动控制作用。

2、组成： 敏感元件、转换器件、转换电路。

二、传感器的分类：
1、力电传感器
利用敏感元件和变阻器将力学信号转换为电学信号的仪器。

（如惯性导航系统、ABS 防抱死制动系统等） （1）测物体质量
例1、如图所示为某同学设计的一个测物体质量的装置，当空载时，将电流表指针所在处定义为质量的零刻度处，当测量已知质量为m0的物体时，电流表的示数为I0，测量未知物体质量m 时，电流表示数为I ，已知电流表中的电流与待测物体质量成正比，试计算未知物体的质量。

（2）测物体的加（角）速度
例2、加速度计是测定物体加速度的仪器，它已成为导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船制导系统的信息源。

如
图为应变式加速度计示意图，当系统加速时，加速度计
中的敏感元件也处于加速状态，敏感元件由弹簧连接并
架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元
件下端的滑动臂可在滑动变阻器R 上自由滑动，当系统
加速运动时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出，
已知：敏感元件的质量为m ，两弹簧的劲度系数为k ，电源的电动势为E ，内电阻不计，滑动变阻器的总电阻为R ，有效长度为L ，静态时输出电压为U 0。

试求加速度a 与输出电压U 的关系式。

解析：设静态时变阻器左端长度为L 0，则有：
E
P
A S
B 0 A
P
A S
B R 0
V
E
P
A S
B
R 0
V E
敏感
元件 输出
信号 E
R E
L L R L L
R E IR U 0000=•==L E
U L 00=→:
则有为两弹簧的形变量大小均时设加速度为x ，，a kx ma 2=x m k a 2=⇒E
L x L R L x L R E R I U -=-='•=00又U U kL ：a )(20-=
联立以上三式得。

方向向右
例3、角速度可测量飞机、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。

（3）测力
例4、（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，R 0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？ 解析：
①以金属球为研究对象，进行受力分析，由平衡条件可得：F=Mgtan θ ②设电源电动势为E ，由闭合电路欧姆定律有：
③设该装置测得的最大风力为Fm 此时，
kL
R E I +=
0()
kL R I E +=⇒0)
(0c c L k R E
I '-+=
'θtan h c c ='又θ
tan Mg F =()()
Mg
I kh kL R I I ：F '
+-'=
0联立以上各式得 A
C B ω O O ′ 输出电压U E l
x R l x R E R I U =•='=)
(2x l m kx +=ω又2
2
ωωm k Em ：U -=联立以上两式得)
(E U m kU +=
ω或R 0
O
P D C /
θ C A 电
mE U U kL a ，)
(20-=
则若加速度方向向左
（4）测位移 例6：（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 2、热电传感器
利用热敏电阻的特性制成的传感器。

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7、如图是一火警报警的一部分电路示意图。

其中R 2
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 R 2 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
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。

是利用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8、（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
4、声电传感器 例9：（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()0
00R kL R I R E I +==
'：
中有代入上问得到的表达式Mg h
L
F m =
h
L
，：=
θtan 风力取最大值时另解Mg h
L Mg F m =
=∴θtan R 1 R 2
R 3 A a b E r
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 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。

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
例10：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。

例11、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？ 解析：因为箱向上做匀减速运动，即加速度a 向下，由牛顿第二定律有：
F 下+mg -F 上+ =ma （其中F 下为上传感器显是的示数，方向向下， F 上为下传感受器显示的示数，方向向上。

） 解得m=0.5kg
（1）因为上顶板仍有压力，说明弹簧的长度没有变化，因此弹簧弹力仍为10.0N ，可见上底板的压力为5N ，设此是箱的加速度为a1,由牛顿第二定律有： mg+F 下-F 下/2=ma1
解得a1=0，所以箱静止或匀速直线运动。

（2）要想上顶板没有压力（ F 下=0），弹簧的长度只能等于或小于目前的长度，即下顶板的压力(F 上)等于或大小10N 。

设这时金属块的加速度为a2，由牛顿第二定律应满足：F 上-mg=ma2 即 a2≥10m/s2
故只要箱的加速度方向向上，数值等于或大于10m/s,上顶板的压力传感器示数都为零。

m。