传感器及其工作原理.ppt

第三章传感器 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 报警器里面用了一个干簧管 干簧管可以感知磁场而接通或断开电路 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 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 传感器是指这样一类元件 它能够感知诸如力 温度 光 声 磁 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 2 传感器的作用 测量 传输 处理和控制 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 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 BD 2 热敏电阻 热敏电阻 1 特点 热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关 温度变化 阻值有明显变化 2 作用 热敏电阻可以将温度的高低这个热学量转化为电阻这个电学量 金属热电阻 铂电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大 这样的电阻也可以做成传感器 称为热电阻 金属电阻随温度的升高而增加 金属热电阻也是将温度的高低这个热学量转换为电阻这个电学量 1 测定角度 2 测定液面高度h 3 测定压力F 4 测定位移x 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 例2 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 如图6 1 3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 图6 1 3 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 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 图6 1 4 左 右 如图6 1 5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 图6 1 5 C 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 图6 1 6 左 右 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 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 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 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 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 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 图6 1 7 答案 1 evB 2 证明见解析 3 如图6 1 8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 图6 1 8 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