传感器及其工作原理

课标定位学习目标：1.知道什么是传感器．2．知道什么是光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻以及霍尔元件．3．知道传感器的工作原理．重点难点：对传感器工作原理的理解．易错问题：对传感器电路的动态分析．自动门引入新课自动干手机酒精含量测试仪雷达测速仪电子秤红外耳温计航空航天宇宙飞船飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体什么是传感器？干簧管防盗报警器原理：当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化，相互吸引而接通，干簧管能起到开关的作用什么是传感器？电梯选层控制电话折叠式手机的开关有线电话听筒拿离时的开关控制微波炉炉门的开关控制冰箱门的开关控制煤气表流量控制汽车安全气囊的开关控制天窗/车窗开关控制安全带的扣妥/松拖警示应用对象功能干簧管的应用一种防盗门报警电路干簧管视觉嗅觉听觉味觉触觉光传感器湿度传感器气体传感器声音传感器味传感器温度传感器压力传感器人获取外界信息机械自动化设备获取外界信息1.传感器的定义：转换电路物理信息化学信息生物信息电信号敏感元件传感器传感器是指这样一类元件：它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。传感器非电学量传感器电学量2.传感器的作用Text声音等磁场温度受力电容等电阻电压电流测量、传输、处理和控制3、传感器的组成辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。物理、化学、生物信息离子感烟器明火探测器温度传感器光电传感器湿度传感器机油压力传感器超声波传感器风速传感器全自动血压机自动旋转门走廊声控灯的工作原理光敏传感器声敏传感器灯声音光线控制电路延时电路声音光线1、光敏电阻制作传感器常用的敏感元件特性：光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。4、传感器常用的敏感元件光敏电阻的工作原理光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子也增多，导电性变好例1.如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，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（）A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B．当有光照射R1时，信号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AR1R2信号处理系统BD2、热敏电阻特性：热敏电阻的阻值会随着温度的升高而_____，具有负温度系数减小金属热电阻铂电阻例2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法正确的是（）ABA.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻B.置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻C.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D.用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻AC（1）测定角度θ（2）测定液面高度h（3）测定压力F（4）测定位移x定片动片θ电介质金属芯线导电液体待测压力F固定电极可动电极x极板极板电介质3、电容式传感器电容式位移传感器电容式位移传感器把力学量（位移）转换为电学量（电容）。示意图被测物体x电容器极板电介质板待测压力F固定电极膜片电极例3．传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（）A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化BC制作传感器常用的敏感元件在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极，就成了一个霍尔元件。4、霍尔元件CDFBEIUH霍尔元件工作原理图霍尔效应当电场力增大到与洛伦兹力相等时，内外侧端面间就形成一个稳定的电场，此时两端面形成一个稳定的电压UH。这种现象称为霍尔效应，这个电压叫做霍尔电压可以证明，霍尔电压UH：dIBkUHd——薄片的厚度k——霍尔系数霍尔元件——把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量qBvbUqH)1(nqkdIBknqdIBUH其中vbdnqI)(载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差.当达到稳定状态时,洛仑兹力与电场力平衡电流的微观表达式例3、如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？下表面nedIBU如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当光照射到R3上的光强度增大时()类型一光敏电阻的特性A．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【思路点拨】光敏电阻有随着光照强度的增强而阻值减小的特征，由闭合电路欧姆定律及串并联的分压、分流原理对电路进行动态分析．【解析】当照射光强度增大时，光敏电阻R3的阻值变小，R3与L串联后再与R2并联的总电阻值变小、干路中总电流变大，R1两端电压变大，A正确；R2两端电压减小，通过R2的电流减小，B正确；总电流变大，通过R2的减小，所以通过小灯泡L的电流变大，灯泡变亮，功率增大，C正确．因为干路中电流变大，内电压变大，路端电压变小，D错误．故选ABC.1.如图6－1－4所示，将多用电表的选择开关置于电阻挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向________(选填“左”或“右”)转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向________(选填“左”或“右”)转动．解析：光敏电阻受光照越强，电阻越小，电流越大，所以将Rt包裹起来电阻增大，指针向左偏，反之向右偏．答案：左右如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，当温度降低时，电阻变大，L为小灯泡，当温度降低时A．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．小灯泡的亮度变弱类型二热敏电阻的特征【思路点拨】根据串并联电路的特点及闭合电路的欧姆定律进行动态分析．【解析】R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错．2.如图6－1－6所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间．若往Rt上擦一些酒精，表针将向________(填“左”或“右”)移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________(填“左”或“右”)移动．变式训练解析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电阻Rt温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏．答案：左右类型三霍尔元件的特性如图6－1－7所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U＝kIBd.式中的比例系数k称为霍尔系数．设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v、电量为e，(1)求电子所受的洛伦兹力的大小；(2)证明霍尔系数k＝1ne.其中n代表导体板单位体积中电子的个数．【解析】(1)f＝evB.(2)电子受到横向静电力与洛伦兹力的作用，两力平衡，有：eUh＝evB得：U＝hvB通过导体的电流I＝nev·d·h由U＝kIBd，有hvB＝k·nevB·d·hd得k＝1ne.【答案】(1)evB(2)证明见解析【点评】霍尔元件对我们来说是一个比较难理解和掌握的元件，我们要紧紧抓住UH＝kIBd这个关系式去把握磁感应强度这个磁学量与电学量的联系．3.如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，如果用d表示薄片的厚度，k为霍尔系数，对于一个霍尔元件d、k为定值，如果保持电流I恒定，则可以验证UH随B的变化情况．以下说法中正确的是()变式训练A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，UH将变大B．在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平C．在测定地球赤道上的磁场强弱时，霍尔元件的工作面应保持水平D．改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，UH将发生变化解析：选ABD.一个磁极靠近霍尔元件工作面时，B增强，由UH＝kIBd，知UH将变大，故A正确．两极处磁场可看做与地面垂直，所以工作面应保持水平，故B正确．赤道处磁场可看做与地面平行，所以工作面应保持竖直，故C错误．若磁场与工作面夹角为θ则应有qvBsinθ＝UHdq，可见θ变化时，UH将变化，故D正确．1、传感器的概念小结2、传感器的工作原理：3、敏感元件：（1）光敏电阻（光电传感器）（2）热敏电阻和热电阻（温度传感器）（3）电容式传感器（位移传感器）（4）霍尔元件（磁传感器）非电学量敏感元件转换器件转换电路电学量动圈式话筒电容式话筒电熨斗电饭锅