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第一节认识传感器第二节传感器的原理第三章传感器第三章传感器1.了解传感器的概念和种类，知道非电学量转换成电学量的技术意义．2.通过实验知道常见敏感元件的工作原理．3．能够结合已学的知识，分析传感器在实际中的应用事例．一、什么是传感器1．定义：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成__________的器件或装置，通常由__________和__________组成．可用信号敏感元件转换元件2．传感器的组成传感器一般由______元件、转换元件和______电路三部分组成．方框图如图所示．――→被测量敏感元件―→转换元件―→转换电路――→电学量(1)敏感元件：直接感受被测量并将其变换成与被测量成一定关系的__________的物理量．(2)转换元件：将敏感元件输出的物理量转换成______量输出．(3)转换电路：将转换元件输出的电学量转换成__________的电学量．敏感转换易于测量电学易于测量传感器的作用是什么？提示：把非电学量(如光、声音、温度等)转化为便于测量、传输、处理和控制的电学量(如电压、电流)．二、传感器的分类分类情况常见传感器按被测量划分加速度传感器、速度传感器、位移传感器、压力传感器、温度传感器、负荷传感器、扭矩传感器等按工作原理划分电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、涡流式传感器、动圈式传感器、磁电式传感器、差动变压器式传感器等按能量传递方式划分(1)有源传感器：压电式传感器、热电式传感器、电磁式传感器等(2)无源传感器：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等三、温度传感器的原理1．(1)实验探究：将热敏电阻接入如图所示的电路中，改变热敏电阻的温度，观察电压表的读数变化，体会将温度这一__________转换为______这一电学量．(2)现象：温度变化，电压表示数发生变化．(3)结论：温度传感器可以将热学量的变化转换为电学量的变化．非电学量电压2．热敏电阻(1)温度特性：正温度系数热敏电阻，温度升高，电阻______；负温度系数热敏电阻，温度升高，电阻______．(2)特点：热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量的．与其他温度传感器相比，热敏电阻的温度系数____、灵敏度____、响应迅速、测量线路简单，并且体积小、寿命长、价格便宜、耐湿、耐酸、耐碱、耐热冲击、耐振动，可靠性较高．(3)应用：热敏电阻主要用于点温度、小温差温度的测量，远距离、多点测量与控制，以及温度补偿和电路的自动调整等．增大减小大高3．温度传感器的应用：在日常生活中，各种家用电器的自动化、智能化工作都离不开温度传感器的应用，如电饭煲、空调机、电热水器、微波炉、饮水机等，都是通过温度传感器进行检测而实现温度自动控制的．四、光电传感器的原理1．(1)实验探究：将光敏电阻接入如图所示的电路中，改变光敏电阻的光照强度，观察电流表的读数变化．(2)现象：光照强度变化，电流表示数发生变化．(3)结论：光敏电阻可以将光学量的变化转换为电学量的变化．2．光敏电阻的特点：光敏电阻的电阻大小与光照的强弱______，光照强度越大，电阻______．3．光电传感器的应用：光电传感器的工作原理是将____________转换为____________．光电传感器的应用：鼠标器、火灾报警器、光控开关等．有关越小光学量变化电学量变化对传感器的认识1．传感器的工作流程和传感器组成(1)传感器的工作流程非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量(2)传感器的组成①敏感元件：相当于人的感觉器官，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的．②转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件．③转换电路：是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等．2．传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作．3．分类：(1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器；(2)按传感器工作原理分为：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、热电偶等传感器；(3)按传感器输出信号性质分：输出为开关量(“1”和“0”或“开”和“关”)的开关型传感器；输出为模拟信号的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器．如图所示，在电路中接一段钨丝，闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗，根据钨丝的上述特性，可用钨丝来制作一个温度传感器，下面的说法中不正确的是()A．该传感器利用了钨丝的物理性质B．该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性C．该传感器能够把热学量(温度)转换为电学量(电阻)D．该传感器能够把电学量(电阻)转换为热学量(温度)[解析]由题目中的实验现象可知，钨丝的电阻随温度的升高而增大，随温度的降低而减小，利用该特性可以制成温度传感器，传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故A、B、C正确，D错误．[答案]D下面哪一项不是现代传感器的应用()A．当你走近自动门时，门会自动打开B．电梯的两门靠拢接触到人体时，门会自动打开而不会夹伤人C．电饭煲能自动加热和保温而不会把饭烧焦D．将自己的银行卡插进自动取款机里可以取钱，而不必麻烦银行工作人员解析：选D.宾馆的自动门是把人反射出来的红外线转化为电信号，利用了传感器；电饭锅工作当温度达到某特定值时，永磁体与感温磁体开始分离，会自动切断电源，利用了温度传感器．对几种敏感元件的认识1．光敏电阻的导电特性光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强．2．热敏电阻和金属热电阻的特点(1)热敏电阻：指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图线①所示为某热敏电阻的电阻－温度特性曲线．(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大如图线②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器．热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好．按热敏电阻随温度变化的规律，热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小．3．霍尔元件的工作原理(1)霍尔效应如图所示，厚度为h，宽度为d的导体放在与之垂直的磁感应强度为B的均匀磁场中．当电流通过导体时，在导体的上侧面A与下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．(2)霍尔元件霍尔元件就是利用霍尔效应来设计的一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿PQ方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U，设薄片厚度为d，PQ方向长度为l1，MN方向长度为l2.薄片中的带电粒子受到磁场力作用发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场．带电粒子同时受到电场力作用．当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到稳定，且有qUl2＝qvB.再根据电流的微观解释I＝nqSv，整理后得U＝IBnqd.令k＝1nq，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以U＝kIBd.U与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．命题视角1含光敏电阻电路的分析(多选)如图所示是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是光敏电阻(光照时电阻会变小)，下列说法中正确的是()A．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小B．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大C．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变小，电压表读数变小D．当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电压表读数变大[解析]光敏电阻的阻值与光照强度有关，光照强度越大，光敏电阻阻值越小．当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻阻值变小，电路中电流变大，电源内阻上的电压变大，路端电压变小，所以电压表读数变小，选项A正确；相反，当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电路中电流变小，电源内阻上的电压变小，路端电压变大，所以电压表读数变大，选项D正确．[答案]AD命题视角2含热敏电阻电路的分析温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特殊性来工作的．如图甲所示，电源的电动势E＝9V，内阻不计；G为灵敏电流表，内阻Rg保持不变；R为热敏电阻，其电阻阻值与温度的变化关系如图乙所示．闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1＝2mA.求：当电流表的示数I2＝3.6mA时热敏电阻的温度．[解析]由图乙可知，当t＝20℃时，热敏电阻阻值R1＝4kΩ.由闭合电路欧姆定律E＝I1(R1＋Rg)代入数值可求得Rg＝500Ω当I2＝3.6mA时，设热敏电阻阻值为R2，则E＝I2(R2＋Rg)可求得R2＝2kΩ由图乙可知，这时热敏电阻温度t′＝120℃.[答案]120℃命题视角3热敏电阻与金属热电阻特性的比较如图所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(设水对电阻阻值的影响不计)()A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化非常明显D．如果R为用半导体材料制成的热敏电阻，读数变化不明显[解析]金属热电阻的阻值随温度的升高而增大，但灵敏度较差，而热敏电阻的阻值随温度的升高电阻减小，且灵敏度高，故选项C正确．[答案]C命题视角4霍尔效应的原理一种半导体材料称为“霍尔材料”，用它制成的元件称为“霍尔元件”，这种材料有可定向移动的电荷，称为“载流子”，每个载流子的电荷量大小为1个元电荷量，即q＝1.6×10－19C，霍尔元件在自动检测、控制领域得到广泛应用，如录像机中用来测量录像磁鼓的转速、电梯中用来检测电梯门是否关闭以及自动控制升降电动机的电源的通断等．在一次实验中，一块霍尔材料制成的薄片宽AB＝1.0×10－2m、长BC＝4.0×10－2m、厚h＝1×10－3m，水平放置在竖直方向上的磁感应强度B＝1.5T的匀强磁场中，BC方向通有I＝3.0A的电流，如图所示，沿宽度产生1.0×10－5V的横向电压．(1)假定载流子是电子，A、B两端中哪端电势较高？(2)薄板中形成电流I的载流子定向运动的速率多大？[解析](1)根据左手定则可确定A端电势高．(2)当霍尔元件内由于载流子有沿电流方向所在的直线定向运动时，受洛伦兹力作用而产生横向分运动，产生横向电场，横向电场的电场力与洛伦兹力平衡时，霍尔元件横向电压稳定．设载流子沿电流方向所在直线定向移动的速率为v，横向电压为UAB，横向电场强度为E，电场力为Fe＝E·e＝UABAB·e洛伦兹力FB＝evB平衡时UABAB·e＝evB得v＝UABAB·B≈6.7×10－4m/s.[答案](1)A端(2)6.7×10－4m/s【通关练习】1．(多选)如图是测试热敏电阻R的实验电路图，滑动变阻器已调节到某一适当的值．实验中观察到当温度升高时灯更亮，对实验现象分析正确的有()A．温度升高，电路中的电流减小B．温度升高，电路中的电流增大C．温度升高，热敏电阻的阻值增大D．温度升高，热敏电阻的阻值减小解析：选BD.当温度升高时，电路中的热敏电阻的阻值减小，由闭合电路欧姆定律可知：电路中的电流增大，导致灯泡变亮．2．(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时()A．电压表的示数减小B．R2中电流强度增大C．小灯泡的功率增大D．