第三章 传感器与检测系统特性分析

传感器知识要点要点回顾第二章常用传感器基本概念：1--有关传感器的定义、基本组成涵盖框图；2--传感器的基本特性（灵敏度、线性度、重复性、精确度、稳定性、动态特性、环境参数）3--传感器的分类方法和种类，何谓能量控制型传感器（电阻、电容、电感）也称无源型传感器、何谓能量转换型传感器（压电、磁电、热电、光电）也称有源传感器。

4—电阻型传感器要求掌握公式，见书第6页，三个相关参数，对于电阻应变式：电阻应变片的电阻相对变化率是与应变成正比的。

掌握应变选择原则：当测量较小应变时，应选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，应选用应变效应工作的应变片。

5---对于金属丝应变片在测量被测物体的应变时，电阻的相对变化主要由哪个参数决定的（丝的几何尺寸）来决定的。

6—对于电容式传感器，请掌握其测量原理，相关公式，对应的三个参数的含义，要求掌握变极距有关灵敏度的计算公式：见书第14页2.27，其灵敏度显然是非线性的，其使用时有条件的。

7—对于电感式传感器要掌握测量原理，计算公式，掌握自感式、互感式、差动式结构的特点，请注意实际工程应用的接法。

见书第21页。

图2.23b.反向串联。

掌握电涡流基本原理。

利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时可否进行位移测量，如果不能，应采取什么措施才能测量。

8--- 有关压电传感器，要掌握压电效应，何谓正压电效应，何谓逆压电效应，压电效应的等效电路，压电传感器对测量电路的要求，见书第26-27。

压电式传感器可以采用多片压电晶片串联或并联，一般并联接法适宜于测量缓变信号，串联接法适宜于测量高频信号。

为了使输出电压几乎不受电缆长度变化的影响，其前置放大器应采用电荷放大器。

为什么说压电式传感器一般适合动态测量而不适合静态测量?9---对于磁电式传感器，要求掌握测量原理，基本公式，请看书第28页，恒磁通动圈式传感器，输出感应电势与线圈运动的速度成正比，如在测量电路中接入积分电路和微分电路，则可用来测量位移和加速度。

1传感器2温度传感器和光传感器[学习目标] 1.知道什么是传感器，知道其将非电信息转换成电信息的意义.2.了解热敏电阻、敏感元件的特性.3.了解几种温度传感器及光传感器的原理．1．传感器(1)定义：把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的电信息的器件或装置．(2)组成：一般由敏感元件和处理电路组成．①敏感元件：将要测量的非电信息变换成易于测量的物理量，形成电信号．②处理电路：将敏感元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量．(3)敏感元件的原理①物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应；②化学类：基于化学反应的原理；③生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能．2．温度传感器(1)分类①热双金属片温度传感器．②热电阻传感器．③热敏电阻传感器：a．NTC型：电阻值随温度升高而减小．b．PTC型：电阻值随温度升高而增大．(2)作用将温度变化转换为电学量变化，通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测量．3．光传感器(1)原理：某些金属或半导体材料，在电路中受到光照时，产生电流或电压，实现光信号向电信号的转化．(2)作用：感知光线的变化或场景变换，使机器作出反应．(1)传感器可以把非电学量转化为电学量．(√)(2)热敏电阻的阻值随温度的升高而增大．(×)(3)干簧管可以感知磁场，接入电路，相当于开关的作用．(√)(4)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，光照越强电阻越小．(√)一、传感器当你走进一座大楼时，大堂的自动门是如何“看到”你而自动打开的？答案人体发出的红外线被传感器接收后传给自动控制装置的电动机，实现自动开关门．1．传感器的原理：非电学量→传感器(敏感元件、处理电路)→电学量2．在分析传感器时要明确：(1)核心元件是什么；(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；(3)是如何显示或控制开关的．例1关于传感器，下列说法正确的是()A．所有传感器都是由半导体材料制成的B．金属材料也可以制成传感器C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D．水银温度计是一种传感器答案 B解析传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，所以A错误；金属材料也可以制成传感器，所以B正确；传感器是通过将非电学量转换成电学量来传递信号的，所以C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，所以D错误．例2如图1所示是某种汽车上的一种自动测定油箱内油面高度的装置．R是滑动变阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，从油量表(由电流表改装而成)指针所指的刻度，就可以知道油箱内油面的高度，当滑动变阻器的金属片向下移动时()图1A．电路中的电流减小，油箱内油面降低B．电路中的电流减小，油箱内油面升高C．电路中的电流增大，油箱内油面降低D．电路中的电流增大，油箱内油面升高答案 D解析油面升高，金属片向下移动，R接入电路中的电阻减小，电路中电流增大，所以选项D正确．二、温度传感器如图2所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R T(温度升高，电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．若在R T 上擦一些酒精，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？图2答案由于酒精挥发，热敏电阻R T温度降低，电阻值增大，表针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻R T温度升高，电阻值减小，表针将向右偏．1．温度传感器的作用：将温度的变化转换为电学量的变化．2．常见的温度传感器(1)热双金属片温度传感器①原理：两种膨胀系数相差较大的不同金属片制成一体，温度升高时，双金属片变形，可控制电路的通断．②应用：日光灯启动器，电机、电冰箱保护等．(2)热电阻传感器①原理：用金属丝制作的感温电阻叫热电阻，当外界温度t发生变化时，其电阻值按R＝R0(1＋θt)的规律变化(θ为温度系数，R0为t＝0 ℃时导体的电阻)．②应用：测温度、测流量等．(3)热敏电阻传感器①原理：半导体热敏电阻的阻值随温度的变化而变化．②应用：测温、温度控制或过热保护等．③分类：正温度系数的热敏电阻(PTC)，它的电阻随温度升高而增大．负温度系数的热敏电阻(NTC)，它的电阻随温度的升高而减小．例3(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图3所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时()图3A．电容器C的带电荷量增大B．电压表的读数增大C．电容器C两极板间的电场强度减小D．R1消耗的功率增大答案AB解析当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，B正确；又由P1＝I2R1可知，R1消耗的功率P1变小，D错误；电容器两极板间的电压U2＝U－U1，U1＝IR1，可知U1变小，U2变大，由场强E′＝U2d，Q＝CU2可知，Q、E′都增大，故A正确，C错误．三、光传感器如图4所示为光电式烟尘浓度计的原理图，请阅读教材，然后简述其工作原理．图4答案光源1发出的光线经半透半反镜3，分成两束强度相等的光线．一路光线直接到达光电转换电路7上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号．另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上，其中一部分光线被烟尘吸收或散射而衰减，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电转换电路6的光就越弱．两路光线分别转换成电压信号U1、U2，如果U1＝U2，说明被测的光路上没有烟尘；相反，如果U1、U2相差较大，说明烟尘较大，因此可用两者之比，算出被测烟尘的浓度．光敏电阻是由半导体材料制成的．它的阻值随光照强度的变化而变化，光照越强，电阻越小；光照越弱，电阻越大．例4(多选)如图5所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当入射光强度增大时()图5A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大答案ABC解析当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，从而电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误．因路端电压减小，而R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确．结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确.1．(对传感器的理解)许多办公楼及宿舍楼的楼梯上的电灯到了晚上能够自动做到“人来即亮，人走即灭”，其神奇功能在于控制灯的“开关”传感器，下面有关该传感器的说法中正确的是()A．该传感器能够测量的物理量是位移和温度B．该传感器能够测量的物理量是位移和光强C．该传感器能够测量的物理量是光强和声音D．该传感器能够测量的物理量是压力和位移答案 C解析楼道中安装了自动灯光控制系统，白天灯不亮，和光传感器有关；晚上有人经过时，灯自动亮起来，与声音有关，是声传感器，所以该传感器能够测量的物理量是光强和声音，C正确．2．(对传感器的理解)关于传感器工作的一般流程，下列说法正确的是()A．非电信息→敏感元件→处理电路→电信息B．电信息→处理电路→敏感元件→非电信息C．非电信息→敏感元件→电信息→处理电路D．非电信息→处理电路→敏感元件→电信息答案 A3．(光敏电阻的特性)如图6所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)，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(电源内阻不计)()图6A．a点电势高于b点电势B．a点电势低于b点电势C．a点电势等于b点电势D．a点电势和b点电势的大小无法比较答案 A解析当用光照射电阻R3时，R3电阻变小，R3两端电压减小，故a点电势升高，因其他电阻的阻值不变，所以a点电势高于b点电势，故A正确．4．(热敏电阻的特性)某温控电路的原理如图7所示，R M是负温度系数的热敏电阻，R是滑动变阻器，某种仪器要求在15 ℃～27 ℃的环境中工作．当环境温度偏高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备．下列说法中正确的是()图7A．环境温度降低，R M的阻值减小B．环境温度升高，U ab变大C．滑片P向下移动时，U ab变大D．调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度答案 D解析环境温度降低时，R M的阻值变大，A错误；环境温度升高，R M的阻值减小，U ab变小，B错误；滑片向下移动，回路电流减小，U ab变小，C错误；调节滑片位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度，D正确．考点一传感器及工作原理1．(多选)下列说法正确的是()A．传感器担负着信息采集的任务B．干簧管是一种能够感知磁场的传感器C．传感器不是电视遥控接收器的主要元件D．传感器是把力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具答案ABD解析传感器的任务就是采集信息，选项A正确；干簧管的主要构造是由平时不接触的两个极易被磁化的软铁片组成的，它们靠近磁场时被磁化后相互吸引而接触，选项B正确；电视遥控接收器中使用了红外线传感器，选项C错误；由传感器的定义知，选项D正确．2．(多选)关于干簧管，下列说法正确的是()A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的C．干簧管接入电路中相当于开关的作用D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的答案CD解析干簧管能感知磁场，是因为当两个簧片所处位置有磁场时，两个簧片被磁化而接通，所以是做开关来使用的，当磁场靠近或远离的时候，就会实现闭合或断开，故C、D正确，A、B错误．3.如图1所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，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，从而使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的()图1A．距离变化B．正对面积变化C．电介质变化D．电压变化答案 A解析振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故A正确．4．街道旁的路灯利用半导体的电学特性制成了白天自动熄灭，夜晚自动点亮的装置，该装置的工作原理是应用了半导体的()A．光敏性B．压敏性C．热敏性D．三个特性同时应用答案 A解析要求灯夜晚亮，白天熄，可知光的强弱导致电路电流变化，所以电路中利用光传感器使电阻变化，实现自动控制，即是应用半导体的光敏性，A正确，B、C、D错误．5．(多选)电容式传感器是将非电信号转变为电信号的装置．由于电容器的电容C取决于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，如图2所示是四个电容式传感器的示意图，关于这四个传感器的作用，下列说法正确的是()图2A．甲图的传感器可以用来测量角度B．乙图的传感器可以用来测量液面的高度C．丙图的传感器可以用来测量压力D．丁图的传感器只能用来测量速度答案ABC考点二光敏电阻、热敏电阻的认识及应用6．如图3所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针的偏转角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的偏转角为θ′，则可判断()图3A．θ′＝θB．θ′＜θC．θ′＞θD．不能确定答案 B7.在信息技术高速发展、电子计算机广泛应用的今天，担负着信息采集任务的传感器在自动控制、信息处理技术中发挥着越来越重要的作用，其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件．某学习小组的同学在用多用电表研究热敏电阻特性的实验时，安装好如图4所示装置．向杯内加入冷水，温度计的示数为20 ℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1，然后向杯内加入热水，温度计的示数为60 ℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说法正确的是()图4A．应选用电流挡，温度升高换用大量程测量B．应选用电流挡，温度升高换用小量程测量C．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡D．应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡答案 D解析多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源，故不能用电流挡，A、B错误；当温度升高时多用电表指针偏转角度较大，说明热敏电阻的阻值变小了，应该换用倍率小的挡，C错误，D正确．8．如图5所示的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电阻，R和L之间用挡板(未画出)隔开，LED为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R与LED间距不变，下列说法中正确的是()图5A．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大B．当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减小C．当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率可能不变D．无论怎样移动滑动触头P，L消耗的功率都不变答案 A解析滑动触头P左移，滑动变阻器接入电路的电阻减小，流过二极管的电流增大，从而发光增强，使光敏电阻R的阻值减小，流过灯泡的电流增大，L消耗的功率增大．同理，当滑动触头P向右移动时，L消耗的功率减小．9．(多选)计算机光驱的主要部分是激光头，它可以发射脉冲激光信号，激光扫描光盘信息时，激光头利用光敏自动计数器将反射回来的脉冲信号传输给信号处理系统，再通过计算机显示出相应信息．光敏电阻自动计数器的示意图如图6所示，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻，此光电计数器的基本工作原理是()图6A．当有光照射R1时，处理系统获得高电压B．当有光照射R1时，处理系统获得低电压C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次答案AD解析当有光照射R1时，R1的电阻减小，处理系统获得高电压；信号处理系统每获得一次高电压就计数一次．10.如图7所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，电源内阻不计，当温度降低时()图7A．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．小灯泡的亮度变弱答案 C解析R2与灯泡L并联后与R1串联，然后与电流表、电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的电阻值增大，外电路总电阻增大，则总电流减小，即电流表的示数减小，R1两端的电压减小，灯泡L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，A、B、D错误．11．如图8所示为某传感装置内部部分电路图，R T为正温度系数热敏电阻，其特性为随着温度的升高阻值增大；R1为光敏电阻，其特性为随着光照强度的增强阻值减小；R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r，V为理想电压表．若发现电压表示数增大，可能的原因是()图8①热敏电阻温度降低，其他条件不变②热敏电阻温度升高，其他条件不变③光照减弱，其他条件不变④光照增强，其他条件不变A．①③B．①④C．②③D．②④答案 A解析热敏电阻温度降低时，其阻值减小，外电路总电阻减小，总电流增大，路端电压随之减小，通过光敏电阻的电流减小，通过R3的电流增大，电压表的读数增大，符合题意，故①正确．同理可得热敏电阻温度升高，其他条件不变，电压表的示数减小，不符合题意，故②错误．光照减弱，光敏电阻的阻值增大，外电路总电阻增大，路端电压增大，则电压表的示数增大，故③正确．光照增强，光敏电阻的阻值减小，外电路总电阻减小，路端电压减小，则电压表的示数减小，故④错误．故A选项正确．12．(多选)如图9所示，理想变压器的原线圈与定值电阻r串联，副线圈接热敏电阻R T(温度升高，阻值减小)，在正弦交流电源的电压U0不变的情况下，下列说法正确的是()图9A．当R T的温度升高时，原线圈两端的电压一定减小B．当R T的温度升高时，原线圈中的电流一定减小C．当R T的温度降低时，r消耗的功率一定减小D ．当R T 的温度降低时，r 消耗的功率一定增大答案 AC解析 设变压器原线圈的匝数为n 1，副线圈的匝数为n 2，当R T 的温度升高时，其阻值减小，副线圈的电流I 2增大，根据I 1I 2＝n 2n 1，可知原线圈的电流I 1增大，根据U 0＝I 1r ＋U 1，可知原线圈两端的电压U 1减小，故A 正确，B 错误；同理，当R T 的温度降低时，其阻值增大，副线圈的电流I 2减小，根据I 1I 2＝n 2n 1，可知原线圈的电流I 1减小，根据P ＝I 12r ，可知r 消耗的功率一定减小，故C 正确，D 错误．13. (多选)如图10所示，电源的电动势为E ，内阻为r ，R 1、R 2、R 3为定值电阻，R 4为光敏电阻(光敏电阻被光照射时阻值变小)，C 为电容器．闭合开关S ，电路稳定后，用光照射R 4，下列说法正确的是( )图10A ．电压表示数增大B ．电源的效率增大C ．电容器所带电荷量增加D ．R 2上消耗的功率增大答案 CD解析 因有光照射时，光敏电阻的阻值减小，故总电阻减小；由闭合电路的欧姆定律可知，干路电流增大，由U ＝E －Ir 可知路端电压减小，所以电压表示数减小，故A 错误；电源的效率η＝P 出P 总×100%＝EI －I 2r EI ×100%＝(1－Ir E )×100%，电流增大，则电源效率减小，故B 错误；电容器的电压与R 2两端的电压相等，因R 4电阻变小，总电阻变小，总电流增大，路端电压变小，通过R 1的电流减小，则通过R 2的电流增大，所以电容器的电压增大，根据Q ＝CU 可知，电容器所带电荷量一定增加，故C 正确；通过R 2的电流增大，根据P ＝I 2R 可知，R 2上消耗的功率增大，故D 正确．。

传感器与检测技术知识总结第一章概述1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置.一、传感器的组成2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。

①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力,力矩转换为位移或应变输出）。

②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数(电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。

③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量.二、传感器的分类1、按被测量对象分类（1)内部信息传感器主要检测系统内部的位置,速度,力，力矩，温度以及异常变化.（2）外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式(视觉传感器、超声测距、激光测距)。

2、传感器按工作机理（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）.（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的(主要有①电感式传感器;②电容式传感器；③光栅式传感器）。

3、按被测物理量分类如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度.4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。

5、按传感器能量源分类(1）无源型：不需外加电源.而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型；（2）有原型：需要外加电源才能输出电量,又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式).6、按输出信号的性质分类(1）开关型（二值型）：是“1”和“0”或开（ON)和关（OFF)；(2）模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量,其输入/输出可线性，也可非线性；（3)数字型:①计数型:又称脉冲数字型,它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比；②代码型(又称编码型)：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。