传感器的原理与应用.ppt

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1、传感器原理与应用,戴小鹏,信息技术培训,信息技术是总的名称，它包括哪些技术？,信 息 技 术,可分为系统层次和基础层次。系统层次包括：,3、计算机技术,2、通信技术,1、传感技术Collection 获取信息 （信息识别、信息提取、信息检测）,Communication 传递信息,Compution 处理信息,（实现信息的快速、可靠、安全的转移）,（对信息进行编码、压缩、加密、存储）,4、控制技术Control 利用信息,（信息显示和对外控制）,5、对抗技术Countermeasure 保护信息,两者结合， 形成计算机网络技术,（信息安全与信息对抗）,1、传感技术Collection 获取信息

2、 （信息识别、信息提取、信息检测）,Wii 健身运动,游戏很好玩， 工作原理是什么？,触摸屏是怎么感知的？,使用者翻动手机选择“响铃”或“震铃”； 摇晃手机变换不同的铃声和游戏； 音乐和壁纸随着人们的动作而变化。,摇晃你的手机,传感器,身边的传感器,CCD,热敏电阻,传声器,温控器,力传感器,温度开关,实验室的 传感器,什么是传感器,狭义地定义： 能够将外界的非电信号，按一定规律转换成电信号输出的器件或装置。,温度变化,电阻值变化,热敏电阻,这些是传感器吗？,记忆合金,热敏油墨,热敏灯罩,温度变化,狭义地定义： 能够将外界的非电信号，按一定规律转换成电信号输出的器件或装置。,（对温度敏感的材料

3、）,传感器的微型化,人类社会的全面信息化，使得信息系统正朝着微型化、多功能化和智能化的方向迅速发展。 随着微电子技术的进步，微处理器、存储器等电子器件日益微型化，而传感器、执行器的微型化程度却远远落后，成了信息系统微型化的“瓶颈”。,于是， “MEMS 技术”应运而生。,将传感器、微处理器、执行器合为一体，构成微电子机械系统，是人们很久的愿望。,Micro Electro Mechanical System,集成电路内部结构,MEMS是“微机械电子系统”的英文缩写。 微机电系统是采用微机械加工技术，将微型传感器、微型执行器、微型机构和相应的处理电路集成在一起的微型器件或微型系统。,机械部分能够

4、微型化吗？,MEMS “微米级”加工技术,100m,显微照片,1988年美国科学家研制。 转子直径120微米，厚1微米。在 380V电压驱动下，最大转速每分钟500转。,第一台静电电动机,传统的陀螺仪,陀 螺 仪,环形陀螺仪,MEMS,陀螺仪的作用,MEMS,独轮车上的陀螺仪,MEMS,MEMS 微型传感器,压强传感器,压力传感器,微传感器的尺寸大多为毫米级，甚至更小。例如：压力微传感器可以放在注射针头内，送入血管测量血液流动情况。,加速度传感器,三轴陀螺仪,MEMS 微型执行器,自海湾战争以来，美军越来越多地使用精确制导武器，实行战场上的精确打击。 为了提高命中精度，将惯性导航系统（陀螺仪）

5、和GPS复合后作为制导技术。 GPS提供时间和定位数据，并校准陀螺仪；而陀螺仪提供飞行参数，在GPS信号中断期间进行导航。二者取长补短，提高导航精度。,MEMS 微型陀螺仪,MEMS 与“精确打击”,制 导 炸 弹,JDAM导弹,导弹采用GPS定位和微型陀螺仪制导，导弹发射后无需人工干预，可以自主飞行，具有多目标攻击能力。这是第四代制导炸弹优于激光制导炸弹的显著特点。,GPS卫星导航,因建筑物和植被等原因，GPS信号会出现中断。此时，由微型陀螺仪提供移动角度，結合车辆移动的时间及速度，可计算出方向和距离，以此检查移动车辆的行进路线，作为 GPS 的辅助导航，直到GPS信号恢复正常。,MEMS,

6、MEMS陀螺仪,随着微机电系统、传感器、无线通信，以及集成电路等技术的发展和成熟，低成本、低功耗的微型传感器的大量生产成为可能。 同时，传感器的信息获取技术，已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的方向发展。,传感器的微型化、网络化,方法一：100元的多功能智能传感器 1件,监测室内环境（温度、湿度、光照度、悬浮物、有害气体）,方法二：10元的单一功能简单传感器 10件,由众多低成本、低功耗的微型传感器组成传感器网络，全方位地进行监测。,传感技术,MEMS,通信技术,无线传感器网络,“无线传感器网络”由此孕育而生,汶川地震,东南亚海啸,澳大利亚森林大火,土耳其水灾,泥石流,山体滑坡,冰

7、 冻,研究人员的方案： 将大量的传感器布置在需要预警的区域内，随时监测目标的细微变化，经过分析和判断，及时传递有关信息，从而为人类提供足够的防御时间。 这就是:,对于这些灾难， 能否预先得到警示呢？,Wireless Sensor Network（WSN）,无线 传感器 网络,将成千上万个微型传感器密集地分布在森林中，各传感器通过无线网络相互协作，共同执行分布式感知任务，并将准确的火源信息传送给信息中心。,例如：森林火警系统,微型传感器,什么是无线传感器网络,无线传感器网络是利用大量的微型传感器（结点），通过无线通信形成网络，用来感知现场的信息。 结点中的微处理器对原始数据进行初步处理后，经网

8、络层层转发，最终发送给基站，再由基站传送给用户，从而实现对现场的监控。,这些结点采用MEMS技术，在一个微小的芯片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信等多种功能。,传感器,微型处理器,无线通信,最小的芯片只有1501507.5 微米,无线传感器网络由成千上万个微型传感器组成，每个微型传感器称为网络的一个“结点”。,结点的构成,传感器,应用程序,无线通信,内 存,CPU,电 源,网络中的网关（基站） （较强的处理、通信能力）,网络中的结点 （简单处理、短距离通信）,通过飞机、火箭、人工等形式，将大量传感器结点分布在需要监测的区域内。,结点处于睡眠状态,结点间的通信,1、传感器结点激活； 2、通

9、过无线通信，确定自身的位置； 3、自动组织成网络；,唤醒、联络、确定自身位置,网关,结点,各传感器分别探测外部信息,温度,湿度,土壤成分,图象,压强,压力,光照,声音,加速度,？,因环境影响、能量耗尽等原因，结点容易发生故障。,磁场,位移,核辐射,各结点将信息汇聚到基站,结点出故障，其它结点会自动寻找别的“同伴”完成任务。,网关,（路由器）既要输出本身的信息，还要传递其它结点的信息。,结点能量不足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息。,卫星、互联网,信息经卫星、互联网到达用户,网关,网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户。,例如： 为防范敌军坦克，飞机在某区域撒落数千个传感

10、器结点，形成无线传感器监测网络。 每个结点都配备磁传感器和振动传感器。,以无线传感器监测网，替代地雷布阵,卫星、互联网,网关,大量结点 随机分布,联络、自身定位、 自动组织成网络,传感器探测磁场 和震动信息,1、是不是坦克？ 2、根据多点信息， 进行目标定位,报告时间、方位、速度、方向,无线传感器网络起源于军事研究。 现代战争被喻为“感知者的胜利”。只有拥有全天候、抗干扰、高灵敏度的传感器，才会有“透明的战场”。 自阿富汗和伊拉克战争以来，各军事强国都非常重视网络和传感器的重要作用，以提高“战场感知”能力。,无线传感器网络的应用,例如：美军研制的“战场感知与数据分发”系统，利用地面传感器对目标

11、进行探测、识别和跟踪，并将目标信息通过网络系统直接传送给武器装备。,传感器,网络系统,“传感器到射手”作战模式：,这一技术的雏形，始于60年代越南战争。,越南胡志明小道,上世纪60年代越战期间，越南北方通过老挝和柬埔寨境内的秘密通道胡志明小道向南方输送军用物资和人员。 胡志明小道处于密林中，美军很难发现。为了切断这条运输通道，美军对其狂轰滥炸，但效果不大。,胡志明小道,越战时期的无线传感器,后来，美军在胡志明小道投下2万多枚，被称为“热带树”的战场传感器系统，为轰炸机提供准确的信息。 “热带树”由震动和音响传感器组成。传感器落地后插入泥土中，仅露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”

12、。 当人员和车辆在其附近活动时，“热带树”便探测到目标产生的震动和声音信息，并通过无线电通信传送到指挥中心。 “热带树”的成功应用，促使许多国家纷纷研制各种地面传感器系统。 这是无线传感器最早的应用。,无线传感器网络的概念，起源于美国提出的“智能尘埃”的设计思想。 将无线传感器制作成灰尘般大小。 在战场上抛撒成千上万、或许上百万个“智能尘埃” ，用于监控敌人的活动。 这些传感器自行组织成无线传感器网络，并对探测到的原始数据进行过滤，把重要的信息发送给使用者。 “智能尘埃”的特征：成本低、体积小、功耗低、分布式、自组织、无线通信。,“智能尘埃”,美国“911”事件,海湾战争，尤其是911以后，美

13、国军方希望研究人员提供低功耗的无线、多跳、自组网技术，这进一步引发了无线传感器网络的研究热潮。,人们很快发现： 除了军事领域，无线传感器网络所具有的自组织、微型化和对外部世界的感知能力，以及部署简单、布置密集、低成本和无需现场维护等优点，在其它行业具有巨大的应用价值。,精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术基础上发展起来的现代农业生产形式。 其核心技术是农田地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。,精 准 农 业,精量播种,变量喷药,精准灌溉,无线传感器结点,工业监测与控制,产品检测,天然气 压力监测,桥梁结构监测,监测风速、风向、温度、湿度、能见度、降雨强度等。,东海

14、大桥,上海浦东机场的周界防入侵系统,在机场四周设立无线传感器警戒网，形成低空、地面、地下三维立体报警体系。每个结点由震动、声响、磁场和微波传感器等组成。 通过网络，可以随时监测周边实况。,太湖水自动监测工程,在太湖大范围水域布放传感器，通过无线传输方式 24小时监测太湖水质的各项变化，并将数据及时传回数据中心。,水质自动监测浮标,我国科学家在海拔4093米的南极冰穹A地区，布设监测冰雪变化的“智能尘埃”网络，将南极冰雪表面数据与空中的遥感卫星监测数据相结合，对南极冰穹开展天地一体的监测研究。,环境监测,无线传感器网络冰雪监测系统,楼宇环境监测,监测每层楼的 温度、湿度、光照度,监护器内整合了电

15、极、生物传感器、微型计算机芯片和无线发射电路。 将监护器安置在患者身上或植入体内，24小时监测心律不齐症状。医生通过无线网络可以及时了解每位病人的病情。 这种便捷诊断可以大范围实施，并可降低急救成本。,便携式心脏监护器,无线传感器网络的意义,无线传感器网络引起了全世界的关注，被认为是继互联网之后的第二大网络。,在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域，位居世界前列的少数项目之一。,无线传感器网络被称为21世纪最具影响的技术之一；是改变世界的十大新兴技术之首；是全球未来的四大高新技术产业之一。,大型机,PC机,互联网,东方明珠,金茂大厦,环球金融中心,

16、上海中心,1998年,420米,2008年,580米,1994年,350米,492米,无线传感器网络,2014年,制高点,信息产业中，无线传感器网络已成为继计算机和互联网之后，国际竞争新的制高点。,1965年,1980年,1995年,2010年,如果说： 互联网、移动通信连接的是人和人； 那么： 传感器网络连接的，则是物和物。,无线传感器网络将信息世界与物理世界融合在一起，改变人类与自然界之间的交互方式。,互联网构成逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式。,未来 人们将通过遍布四周的传感器网络，直接感知客观世界。,传感器网络,物 联 网,“物 联 网”（Internet of Thing

17、s）,奥巴马就职后，IBM提出的“智慧的地球”概念得到重视。,“物联网”概念很多年前已提出。,智慧的地球物联网互联网,美国认为物联网是振兴经济、确立竞争优势的关键战略，政府给予积极回应。,2010年政府工作报告温家宝总理明确提出: 加快物联网的研发应用。,2009年8月温家宝总理视察无锡时指出： 尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。,物联网中的“电子标签”,什 么 是 物 联 网 ？,物联网,电子标签无线通信互联网,传感器无线通信互联网,电子标签传感器无线通信互联网,传感网,电子标签红外感应器激光扫描器GPS 互联网,现在：超市排队付款,用扫描仪照射每一件商品的条形码，以识别每

18、一类商品的价格。,当你推着满满的购物车从收银台通过时，不必排队等候结账。 商品上的电子标签已将商品信息自动登陆到商场的计价系统，货款也自动从你的信用卡里扣除。,今后：超市智能支付,什么是电子标签？ 电子标签如何标识商品？,自动识别技术,是一项自动采集和处理数据的技术，能够自动获取被识别物体的相关信息，并由计算机完成后续处理。 作用：是对物体进行识别和跟踪。与人工识别相比，自动识别更快、更准，提供的信息更多。 自动识别技术广泛应用于物流供应链、小额支付、人员识别、物品防盗与防伪、动物识别、运动计时、疾病追溯以及车辆识别与管理等领域。,自动识别技术,包括： 条形码识别 商品标签 磁条卡识别 银行卡

19、、电话卡、收费卡 IC卡识别 社保卡、手机SIM卡 生物识别 语音识别、指纹识别、脸部识别 光学识别 扫描仪的文字识别 射频识别公交卡、身份证,自动识别 一维条形码,二维条形码 可以存储更多的信息,二维条形码,条形码识别最大缺点： 只能识别一“类”商品，不能识别一“件”商品。 例如：同一种牛奶盒上的条形码到处都一样，无法获取某一盒牛奶的信息。 没有做到 “一物一码”，无法实现产品的实时追踪。,接触式磁条卡,银行卡、证券、保险、 超市、电话卡、收费卡、预约卡、门票、储蓄卡、信用卡等。,接触式 IC卡,集成电路,IC卡插入阅读器，将芯片与内部电路接通，然后进行操作。,非接触式 IC卡,把 IC卡靠

20、近阅读器，不必接触，信息就可以进行交换。,公交卡,“IC卡”内部并无电池，它是怎么工作的？,阅读器,IC卡,公交卡的识别系统由阅读器和 IC卡组成。,11110101,01011001,10110010,询问,应答,电磁波,每张IC卡都有自己唯一的识别码。,集成电路芯片,感应天线,公交卡工作原理,发射电磁波,IC卡本身没有电源。当天线感应到电磁波后获得能量，电路开始工作。 与阅读器进行通信联系后进入休眠状态，不会重复读卡。,阅读器完成对应操作，并发“嘟”声结束。,嘟,阅读器,IC卡的内部结构,由集成电路芯片、天线和外部封装构成。,阅读器发射电磁波,滤波,解调,微机芯片,放大,频率为 13.56

21、MHZ 的电磁波,感应天线L,阅读器是一台发射器，向外发射电磁波，“询问”附近的IC卡。如有多张IC卡同时应答，则分别处理。,询 问,C,IC卡将电磁波转化为能量,集成电路 芯片,C1,感应天线L,I,C2,IC卡的天线接收到电磁波，并产生感应电流，经二极管整流，在C2两端产生2V电压供芯片工作，并向阅读器报告本卡的相关信息。,2V,电磁波,应 答,卡的类别； 本卡代码； 乘车时间； 剩余金额；,阅读器读取卡片的信息,滤波,解调,微机芯片,放大,感应天线,阅读器接收来自IC卡的数据信号，并发出操作指令（应答或者对IC卡扣款）。,IC卡的信息,扣 款,免于扣款； 部分扣款； 全额扣款；,射频识别

22、系统,阅读器,IC卡,电子标签,射频识别技术,射频识别是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术。 射频识别技术是信息化建设的核心技术之一。 射频识别系统由阅读器和电子标签组成。,射频无线电通信所用电磁波的频率,阅读器,电子标签,IC卡,电子标签的各种结构,由集成电路芯片和天线构成。 芯片极小，金属箔天线可制成各种形状。,应用MEMS技术的芯片,将电子标签附着在商品上，通过射频识别技术对商品进行自动识别。,电子标签,条形码只能识别某一“类”产品，无法识别某一“件”产品。 而在现代物流业，需要对产品进行唯一的识别，并追踪供应链上的每一件单品。,电子标签的芯片面积不足1平方毫米，但它的容量巨大，

23、可以提供几百亿个电子编码供选用。,这意味着：利用互联网以及全球统一标识编码，可以给每个实体唯一的代码，以便跟踪它的整个生命周期，从而实现全球物品信息实时共享的“物联网”。,01001101,01101010,10010101,10101010,00101011,01010111,通俗地说， 现在：每一类商品一个代码； 将来：每一件商品一个代码；,电子标签是否 存储商品的全部信息？,网 络,大米：友谊农场种植、1月29日收割、2月27日分装,数据库,大米：龙江农场种植、1月10日收割、2月15日分装,大米：建设农场种植、1月21日收割、2月20日分装,电子标签存储的仅是商品的代码，不含其它信息。

24、 实际使用时，阅读器读取电子标签的代码并输入计算机，然后通过网络，在数据库中查寻该代码对应的商品数据，再将信息回传给顾客。,10010101,01011001,10110010,读取代码，查询信息,（1）可识别单件产品； （2）非接触，透过外包装读取数据； （3）存储的信息量大； （4）构成网络环境； （5）同时识别多个对象。,射频识别技术的特点,每件商品都有产品电子标签,射频识别技术的应用,射频识别并不是全新的技术，早在二战时期，已被美国空军用作敌我飞机识别。由于技术和成本等原因，一直没有得到广泛应用。 而今，社会的进步，使这一技术在智能化、网络化方面得到大力发展，并成为“物联网”的重要组成

25、部分。,二代身份证识别,射频识别（RFID）,电子护照内的非接触式晶片，载有持证人的个人资料及容貌影像。 电子护照具有“基本读取控制”功能，可预防未经授权的信息读取行为。,电 子 护 照,嵌入射频芯片的门票,射频识别（RFID）,门 禁 卡,小区大门,宾馆房门,射频识别（RFID）,动物出生便贴上标签，从而实现鸡、鸭、牛、羊、猪从出生到餐桌的全程跟踪。,射频识别（RFID）,电子标签,通过车载电子标签与收费站的天线进行微波通讯，系统根据车型和车牌号自动收取费用，并通过网络与银行系统进行结算，从而实现车辆不停车收费。,公路不停车收费管理系统,射频识别（RFID）,电子收费系统,雷达模型,物流分拣

26、系统,货物从制造商到零售商，商品的运输起点、中转点、终止点及商品经过某地的具体时间、负责人，都存储在电子标签中。,电子标签与传感器的结合,感温电子标签除识别与定位功能外，还可通过温度传感器获取实时温度数据。,电子标签,温度传感器,感温电子标签,=,用感温电子标签追踪蔬菜的温度和湿度。 蔬菜在产地装箱时，在货箱内放置感温电子标签以及GPS接收器。 无论货箱在何处，传感器每2分钟测量一次温度和湿度，并连同货箱位置一同报告控制中心，对蔬菜的供应链作全程检测。,蔬菜产品监测,无线传感器网络的实施 需要精确的定位技术,定位技术 是信息技术中的重要内容,GPS全球卫星定位系统,汽车定位,手机定位,老人小孩

27、定位,宠物定位,日常生活中的定位技术 触摸屏技术,手机的触摸屏,手腕计算机,单 点 触 摸,公共资讯查询,餐馆触摸屏,物流管理,多 点 触 摸,世博会场景,触摸屏 是怎么感知的？,触 摸 屏,液晶显示屏,包括：电阻式、电容式、压电式、红外线式、表面声波式等。,触摸屏 与 定位技术,R1,R2,0V,5V,V,R,R1,R2,V = 5 R2 / ( R1+R2 ) ,电压和电阻的关系：,R,电阻式触摸屏,R2,0V,5V,V,V = 5( R2 / R ),电压和导体长度的关系,0V,5V,V,L,L2,V = 5( L2 / L ),电压和电阻的关系,R,L,L2,V,5V,V = 5( L

28、2 / L ),已知：L 只要测量 V 就可得到 L2,定位：导电体上某一点的位置,导电玻璃,绝缘的隔离点 直径小于25微米,透明的 电阻性导电层,透明的 金属层,触摸屏的结构,覆盖金属层的保护膜,玻 璃,透明薄 膜,L,L2,V,5V,R1,R2,测量R2 两端的电压,电阻性导电层,金属层,V = 5( L2 / L ),V,L,L2,5V,V = 5( L2 / L ),Y轴方向的定位,平面上某一点的定位,V,L,L2,5V,V = 5( L2 / L ),X轴方向的定位,导电玻璃,触摸屏的结构,V1,5V,V2,5V,导电薄膜,L2 = V2 L / 5,L1 = V1 L / 5,空隙

29、,隔离点,保护膜内的金属层,玻璃上的电阻层,触摸屏的结构,这里的触摸屏就是一种传感器,覆盖在液晶显示屏上的触摸屏,CPU,控制器,电阻式触摸屏,无论何种形式的触摸屏 都离不开计算机的控制,电容式,红外线式,各种触摸屏技术,压电式、表面声波式、,计算机与数字化,没有数字化，就没有如今的计算机， 而计算机，又推动了各行各业的数字化。,微处理器的 三大技术门类,计算机的核心是微处理器（MPU）,CPU （中央处理器）,DSP （数字信号处理器）,MCU（微控制器）,所谓的数字化、信息化、智能化，其实就是“MPU”化。,微控制器（MCU）,普通电饭锅,智能电饭锅,单片机,MCU是以控制电子设备为目的、

30、经过优化的嵌入式微处理器，又称为单片机。 与CPU相比，它更强调独立自足和低成本。,传感器,控制程序,普通洗衣机,智能洗衣机,普通高压锅,智能压力锅,传感器,单片机,传感器,单片机,将传感器和计算机引入实验教学,传统实验,数字化实验,数字化信息系统,数字化信息系统,采 集 器,计算机和软件,DIS,各 种 传 感 器,Digital Information System,电子计价秤,悬臂梁,应变片,固定端,敏感元件,人体秤中的 传感器,应变片,固定端,悬臂梁,1、力 传 感 器,将力学量转换为电量的装置称为力传感器。,金属形变,力学量,电学量,如何测量力？,悬臂梁,将 “力” 转换为 “应变”

31、,悬臂梁,悬臂梁是一种弹性元件，一端固定，另一端受力。 在力F 作用下，悬臂梁的上、下表面均产生微小的形变，称之为“应变”。,金属形变,电学量,？,如何将“应变”转换为电学量,转换元件 （应变片）,电学量,金属应变,利用电阻应变片，将金属的应变转换成电阻值的变化，从而将力学量转换成电学量。,应变 和 应变效应,应变是指物体形变的比值： LL 金属或半导体在受到外力作用产生变形时，其电阻值也随之变化，这种现象称为“应变效应”。,F,L,L,F,电阻应变片根据应变效应制成，它将物体的应变量转换成电阻变化量，用来测量微小的机械形变。,应 变 片,在悬臂梁的两个侧面各粘贴2片电阻应变片,电阻应变片,电

32、阻应变片分为金属应变片和半导体应变片两大类。力传感器使用的是金属应变片。 当应变片随着悬臂梁产生形变时，金属电阻丝在外力的作用下被拉伸或压缩，它的长度 L 和截面 S 以及电阻率 均会发生变化。,R = LS,对金属材料而言，主要是导体的 L 和 S 发生改变，而电阻率 的变化相对很小，可以忽略不计。,各种应变片,力传感器上的应变片,应变片工作原理,压缩时电阻变小,F,F,金属丝,金属丝,金属丝,F,F,拉伸时电阻变大,金属丝,应变片工作原理,金属片,金属丝,应变片工作原理,F,压缩时电阻变小,拉伸时电阻变大,这里的金属丝就是一种“应变片”，它可以将金属片的形变转换成电阻的变化。,测量电路电桥

33、,应变片（R2、R3）,应变片（R1、R4）,悬臂梁的上、下表面各粘贴2片应变片，它们的电阻值相同。,R1,R2,R3,R4,U,R1R2 R3 R4,R1,R2,R3,R4,U,UA,UB,当悬臂梁受力时，梁的上表面伸长，R1、R4电阻值增大；梁的下表面压缩，R2、R3电阻值减小。此时UAUB，电桥失去平衡，输出与压力成正比的电压。,小,小,大,大,F,R2,R3,R1,R4,R2,R3,R1,R4,R1R2 R3 R4,R = LS,悬臂梁受力后产生形变，应变片将悬臂梁的形变转换为电阻值的变化，并以电压形式输出。,力传感器的测量过程,力,形变,形变,电阻值变化,电阻值变化,电压变化,电子计

34、价秤中的应变片,应变片的应用,荷重传感器,测量汽车载重,崇明跃进桥检测布置应变片,桥梁加载，检测桥梁的应变,对斜拉桥钢索进行应变测试,无线传感器网络,应变片,信号发射器,信号接收器,远距离实时监测,世博会的“阳光谷”,力传感器的损毁,悬臂梁引起的误差,15度,放置在不同位置，测量值存在误差。,偏转角度过大时，测量值出现误差。,F,F,F,F,必须垂直受力,端 面,侧 面,作用力须与悬臂梁垂直,角度不垂直,2、压 强 传 感 器,压强传感器采用压阻式压力传感元件。 它是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。 当它受到气体压力时，半导体应变片的电阻率发生变化，从而输出电压变化。,压力传感元件,半导体应变

35、片,当半导体材料受到外力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。 压强传感器使用半导体应变片。,对半导体材料而言，当应变片变形时，主要是 发生改变，而 L 和 S 的变化相对很小，可以忽略不计。,R = LS,压力传感元件,应变片,应变片,硅膜片,应变片分布图,用单晶硅制成硅杯，其中间部分形成硅膜片，在硅膜片上制作 4片电阻值相等的应变片。 当气体作用于硅膜片时，硅膜片弯曲，并使 应变片产生形变。,测量电路,当硅膜片形变时，外圈的应变片被拉伸，R1和R4的电阻值变大；而内圈的应变片受到压缩，R2和R3的电阻值变小。 电桥失去平衡，输出与气体压力成正比的电压信号 U = IR。

36、,侧视图：,血压计,压强 传感器,气阀,气泵,放气管,三通管 接传感器,轮胎压力传感器,在轮胎内埋设压强传感器（含微控制器），随轮胎一起转动，自动测量轮胎的气压、温度、转速，并将信息通过无线发送器传递给驾驶员。,轮胎压力监视系统,手柄,旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件之间的距离，电路输出相应的电压，从而控制车速。,3、磁传感器 电动车的车速控制,霍尔元件,电动车的无刷电动机,无刷电动机没有电刷，定子产生旋转磁场带动转子旋转。电机中采用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。,无 刷 电 机,定子,转子,霍尔元件,定子,霍 尔 效 应,霍尔元件通常采用N型

37、半导体材料，材料中导电的载流子是电子。,：迁移率（电荷的速度） ：电阻率 d ：薄片厚度,霍 尔 效 应,施加磁场B ，电子在洛伦兹力FL的作用下向薄片的一个侧面偏转。,霍 尔 效 应,在该侧面上形成负电荷的积累（） 在另一侧面，由于电子浓度下降而出现等量的正电荷（） 从而形成霍尔电场EH 由于EH的存在，电子除受到洛仑兹力FL的作用，还要受到霍尔效应产生的电场力FH的作用。,霍 尔 效 应,电场力FH与洛伦兹力FL相平衡。 在半导体两个侧面形成霍尔电压UH 。 UH I B 当 I 保持不变时，通过测量UH得到 B。,霍尔效应演示,在薄片的垂直方向施加磁场，电子除了做定向运动外，还在洛伦兹力

38、的作用下向薄片的一个侧面偏转，从而形成霍尔电势。,霍尔效应实验器,实测表明： 金属中的霍尔电势非常弱，实用的霍尔元件通常采用半导体材料制成。,B 不变，UH 和 I 的线性关系。,I,B,I,磁 传 感 器,包含霍尔元件的集成电路,磁传感器填补了传统实验器材的空白，也为我们提供了探索的工具。,磁传感器应该置于何处？,？,直导线电流的磁场,导线下边,S,N,霍尔元件的测试面,导线旁边,导线上边,实际测量值,导线下边,导线旁边,导线上边,1、串联10保护电阻。 2、传感器不要长时间滞留在通电的螺线管内，以免损坏器件。,霍尔元件通电后会发热,实验中的注意事项,图 线 异 常,实验中使用的学生电源，其

39、电压输出必须稳定，如果出现电压波动，其图线会出现异常 。,4、位移传感器,工作原理,超声波,接收器,发射器,红外线,超声波到达，停止计时,超声波,接收器,发射器,红外线,t1,红外线,接收器,发射器,超声波,t2,红外线到达，开始计时,同时发射,距离 S,超声波 的速度,时间差 t2t1,超声波传感器的工作原理,压电晶片,压电晶片,压电晶片是一种压电式传感元件，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。,发射器,接收器,压电效应,某种晶体在外力作用下，不仅会产生形变，还会产生电极化现象，晶体的表面有电荷出现，从而形成电场。当外力消失后，表面又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。

40、 压电效应包括逆压电效应和正压电效应。,逆压电效应（电致伸缩效应）,如果对晶体施加交变电压，晶体就会产生振动，这样就将电振荡转变为机械振动，当频率适当时便产生超声波。 这就是超声波发射器的工作原理。,压电薄膜扬声器（逆压电效应）,可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器,正压电效应,当晶体受到压力 F1时，晶体的表面产生上正、下负的电荷；而当晶体受到拉力 F2时，晶体的表面产生上负、下正的电荷。 （超声波）对晶体周期性地施加 F1和 F2，其表面就会产生正、负交变的电场。 这就是超声波接收器的工作原理。,正压电效应实验,按压瞬间,释放瞬间,保持压力,压电陶瓷片的图形符号,压电材料只能测量瞬时信号,当

41、施加正向压力时，压电晶体产生上正下负的电荷；当力消失时，压电晶体反弹，产生上负下正的电荷。 当动态力变为静态力时，电荷由于表面漏电而消失，因此只适用于动态测量，不适用于静态测量。,压电晶体的 工作原理,极化方向（电极）,振动方向,振动方向,极化方向,压电陶瓷变压器,压电陶瓷变压器广泛用于液晶显示屏背光电源 、负离子（臭氧）发生器、静电喷涂、警用电击器等需要高电压小电流的领域。,多层压电陶瓷变压器 3583mm,在变压器的驱动部份施加交变电压，由于逆压电效应，变压器产生长度方向上的伸缩振动，输入的电能转换成机械能； 振动波沿变压器纵向传递到发电部份，通过正压电效应，机械能转换成电能，在输出端输出

42、交变电压。 能量转换过程：电能机械能电能,变压器越长、越薄，升压比越高。,以单层压电陶瓷变压器为例：,超声波电动机,照相机镜头,环形超声波电机,微形超声波电机,环形超声波电动机,转子,定子,转子运动方向,行进波的行进方向,定子表面质点的运动轨迹,压电陶瓷产生超声波，带动定子振动，并在定子表面产生沿环而行的“行进波”，从而利用摩擦力带动转子作反方向的旋转。,5、温度传感器,家用电器中应用最多的是温度传感器，常用的有以下几种：,电热油汀,电烤箱,电热锅,电火锅,电熨斗,双金属片可调温控器,手动复位式温控器（温度开关）,温度降低后，需要手动才能接通电路。,电热水壶,双金属片达到一定温度时，由于形变而

43、产生瞬间跳动，通过传动机构，迅速断开电路。,饮水机,双金属片,自动复位式温控器（恒温开关）,温控器内部的双金属片达到设定温度时，自动断开电路；当温度低于设定温度时，自动接通电路，从而保持温度的恒定。,电热水瓶,机械式调温器,冷藏箱,电冰箱,冷冻箱,保鲜柜,液体感温剂（氯甲烷）,电子温控器,数字家电利用微控制器进行智能化控制。与之配套的各种传感器，包括热敏电阻、热敏晶体管等也在家用电器中扮演着重要角色。,各类热敏电阻的特性曲线,热敏电阻分类： 负温度系数 NTC 用于测温、补偿 正温度系数 PTC 用于特定温度的检测和控制 临界温度 CTR 用于特定温度的检测和控制,电冰箱的 控制器,电压力锅,

44、电脑型微波炉,电脑型电饭锅,热敏电阻用于测量,发热电器的恒温控制： 刚通电时，PTC元件的电阻小，电流大，快速升温。 温度超过居里点后，电阻陡然增大，类似于关闭电源；当温度下降后，PTC电阻下降 自动恒温。 PTC热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温的两种作用。,陶瓷暖风机,居里温度,开关电阻,工作范围,PTC热敏电阻,电蚊香,温度传感器,温度传感器中的热电阻由铂金属制成。 传感器的金属管内充满导热硅脂，便于外界温度通过金属管传递到铂电阻。,铂电阻,热电阻温度传感器,热电阻分为纯金属电阻和半导体热敏电阻两大类。,温度系数越大，灵敏度越高。 电阻率大，相同灵敏度下可减小电阻体的尺寸，减小

45、热惯性。,铂电阻的特性曲线,温度传感器的滞后性,气体压强与温度的关系,p,T,压强与温度的拟合图线,P - T 图线为何不能通过坐标原点？,压强值滞后,温度值滞后,常见的实验操作过程,加温 看到压强升高为112.3 立即点击“记录数据” 继续加温，重复实验,实验结果： 温度值滞后,结 构,外界温度变化通过传感器的金属管、导热硅脂，再通过封装片才能传递到铂金属，这样的结构使得温度传感器不能迅速跟上外界的温度变化（响应速度慢），这种现象在动态测量中将引起测量误差。,产 生 的 原 因,当温度升高时，压强值上升为112.3，但此时温度传感器内的铂电阻还未感受到这一温度，“当前温度” 显示的还是前一时

46、刻的温度值（ 334.2）。 如果此时立即记录数据，不能真实反应同一时刻 P、T 的实际状态，所记录的数据必然存在误差。,实验改进,1、将铂电阻直接置于实验环境中，提高温度传感器的响应速度。 2、增加水杯的热容量，以利于温度传感器和瓶内空气达到热平衡。,铂电阻,接压强 传感器,比热容实验,检查：两支温度传感器升温速度是否一致？,效果不理想,温度传感器的差异,两支传感器测量同一水温的变化，发现两者升温的斜率不等。,20,100,t,为什么？,温度传感器的差异,铂电阻,金属管,导热硅脂,导热硅脂充填不充分,需要进行温度对比时，注意传感器的一致性。,6、光电门传感器,A孔发射红外线，B孔接收红外线。

47、 当A、B之间无挡光物体时，传感器没有电信号输出；反之有电信号输出。 这样就把有没有物体挡光，转换成断续变化的数字信号。,工作原理,当A、B之间无挡光物时，光电管导通，逻辑状态为0； 当A、B间有物体挡光时，光电管截止，逻辑状态为1。 计算机内设置计时器，当逻辑状态为1时，计时器开始计时； 当逻辑状态为0时，计时器停止计时， 这样就可测量出物体通过光电门的时间。,光电门的作用 1：测量时间,机械能守恒定律,测量摆锤通过光电门的时间,光电门测量时间的误差,S,S,圆柱体不存在这个问题,平均速度 v =s /t,光电门的作用 2：控制开关,光电门,1、测量小球通过光电门的时间。 2、小球离开轨道的瞬间，启动计时器。,平抛运动,压电陶瓷片采集落地时刻,光电门的作用 2：控制开关,以球体的前缘作为控制点,以球体的后缘作为控制点,光电门本身引起的误差,误差较大,机械能守恒,光电门校准后的实验界面,瞬时速度测定 的误差,光电门校准后的实验界面,进一步减小挡光片的宽度,减小挡光片的宽度，仍能保持测量精度,7、电压传感器,8、电流传感器,内阻0.1 ,利用电压、电流传感器探究问题,照明灯频繁开关，为何容易坏？,或者： “长明灯”省钱，还是“随手关灯”省钱？,能否用实验来验证？,测量瞬间的电流变化（探究小