山东省冠县武训高级中学高三物理复习课件：10.3传感器.ppt

10.3 传感器的原理及应用zxxk 高三总复习 选修3-2 传传感器是指这样这样 一类类元件：它能够够感受诸诸如位移、 速度、力、磁感应强度、温度、光、声、化学成分等 非 电电学 量，并能把它们们按照一定的规规律转换为电压转换为电压 、电电 流、电阻、电容等 电学 量，或转换为电转换为电 路的 通断 的元器件 一、传感器的概念 把非电电学量转换为电转换为电 学量以后，就可以很方便地进进 行测测量、传输传输 、处处理和控制了 非电学量 电学量 传感器 光敏电电阻能够够把光照强弱这这个 非电学 量转换为转换为 电阻 这这个电电学量 Zxxk 二、常用传感器元器件工作原理 1光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时， 载流子 少 ，导电性能 差 ；随着光照的增强，载流 子 增多 ，导电性变 好 例1.如图所示，R1、R2为定值电阻，L是小灯泡，R3为光敏电阻 ，当照射光强度增大时，（ ） A电压表的示数增大 BR2中电流减小 C小灯泡的功率增大 D电路的路端电压增大 ABC 金属热电阻： 规律：电阻随温度的升高而增大。 热敏电阻（半导体）： 规律：电阻随温度的升高而减小。 与热敏电阻相比， 金属热电阻化学稳定 性好，测温范围大， 但灵敏度不高 2、热敏电阻 金属的电阻率随温度的升高而 增大 ，用金属丝可以制作 温度 传感器，称为 热电阻 热敏电阻或金属热电阻能够把 温度 这个热学量转换 为 电阻 这个电学量 1 2 1.1.金属导线；金属导线； 2.2.热敏电阻热敏电阻 电阻电阻温度特性图线温度特性图线 R T Si + + + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Si + + + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Si + + + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 例2：如图是一火警报警的一部分电路示意 图。其中R2为用半导体热敏材料制成的传 感器，电流表为值班室的显示器，a、b之 间接报警器。当传感器R2所在处出现火情 时，显示器的电流I、报警器两端的电压U 的变化情况是（ ） zxxk A. I 变大，U 变大 B. I 变小，U 变小 C. I 变小，U 变大 D. I 变大，U 变小 R1 R2 R3 A a b E r B 霍尔电压 一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则UH 的变化就与B成正比。 Zxxk 磁感应强度 电压 N M F B E I UH FBFEFB=FE d L 3、霍尔元件 力电阻变化 电压 4、力电传感器的应用电子秤原理分析 ： U1 U2 应变片是一种敏感元件，现多由半导体元件制成。 自由端施力F，上表面拉伸，电阻变大，两端电压大。 下表面压缩，电阻变小，两端电压变小。力F越大，输 出电压差越大。 例3：关于电子秤中应变式力传感器的说法:正确的是 A.应变片是由多用半导体材料制成 B.当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小 C.传感器输出的是应变片上的电压 D.外力越大，输出的电压差值也越大 （ A B D ） 普通干簧管有两个簧片，是用有弹弹性的 软磁性 材 料制成的，它们们密封在玻璃管中，成为为一组组常开型触点 管中充入惰性气体来防止触点被氧化 干簧管将磁场的变化转换成电路的 通断 5干簧管 当磁体靠近(按一定方位)干簧管时，两个簧片被磁化而接通 双金属片巧妙地利用了不同金属热热膨胀胀的差异把膨 胀胀系数不同的两种金属片黏合在一起，常温下是直的，当 加热时热时 ，由于两种金属的膨胀胀程度不同，双金属片就会向 膨胀胀程度 小 的金属片那一侧侧弯曲 6双金属片： 铜的膨胀系数大于铁 6、双金属片温度传感器的作用：控制电路的通断. 温度传感器的应用电熨斗 常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于 双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀 小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止 加热温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热， 这样循环进行，起到自动控制温度的作用 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此 时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降 ，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的 7感温铁氧体 (1)感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成. (2)常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引。温度达到约103 时，失去铁磁性，不能被磁体吸引。 (3)使感温铁氧体失去铁磁性的温度，也叫居里温度. 电饭锅烧饭饭熟后会自动断开，烧水水开后不能能自动断开 工作原理: (1)开始煮饭时，用手压下 开关按钮，永磁体与感温 磁体相吸，手松开后，按 钮不再恢复到图示状态。 （2)水沸腾后,由于锅内保持1000C不变,故感温磁体仍与永磁体相 吸,继续加热.故锅内大致保持1000C不变. (3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里 点1030C”时,感温磁体失去铁磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹 开,触点分离,切断电源,从而停止加热 (4)如果用电饭锅烧水,水沸腾后,锅内保持1000C不变,温度低于 “居里点1030C” ,电饭锅不能自动断电.只有水烧干后,温度升 高到1030C才能自动断电. 7感温铁氧体 动片 （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： 定片 导电液体 待测压力F 固定电极 可动电极 极板 极板 电介质 X 电介质 金属芯线 8、电容式传感器 待测压力F 固定电极 膜片电极 例4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 话筒是将声信号转换为电信号的声传感器 当声波使金属膜片振动时动时 ，连连接在膜片上的线线圈(叫音 圈)随着一起振动动 9声传感器的应用动圈式话筒与电容式话筒 工作原理 音圈在永磁铁的磁场中振动，其中就产生感应电流，感应 电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定， 这就将声信号转换成电信号，这个电信号经扩音器放大后传 给扬声器，从扬声器中就发出放大声音 当声波使膜片振动动 时时，电电容发发生变变化，电电 路中形成变变化的电电流，于 是电电阻R两端就输输出了与 声音变变化规规律相同的电压电压 9声传感器的应用电容式话筒 工作原理 Q是绝缘支架，薄 金属膜M和固定电极N形 成一个电容器，被直流 电源通电 10、光传感器的应用-烟雾散射式火灾报警器 （1）光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器 报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和 不透明的挡板.平时,光电三极管收不到LED发出的光,呈现高 电阻状态烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照 射到光电三极管上，其电阻变小与传感器连接的电路检测 出这种变化，就会发出警报 （2）工作原理 如图图，是用发发光二极 管(LED)模仿路灯的光控电电 路，Rg为为光敏电电阻，R1是 变变阻器，斯密特触发发器是 具有特殊功能的非门门 11传感器应用电路设计光控开关电路 天色较较亮时时，光敏电电阻Rg的阻值较值较 小，输输入端A电电平 较较低，输输出端Y电电平较较高，路灯不亮；当天色较较暗时时，光 敏电电阻Rg的阻值较值较 大，输输入端A电电平较较高，输输出端Y电电平 较较低，路灯发发光 若想要天色更暗时路灯才会点亮，可以将可变电阻R1阻值 调大一些 光控开关电路控制电磁继电器的工作原理 当线圈 A中通过较大电流时，铁芯中产生较大磁场，吸 引衔铁B向下运动，从而带动动触点D向下与E接触，将工作 电路接通，当线圈A中电流较小时，电磁铁磁性较小，衔铁 B在弹簧作用下拉起，带动触点D与E分离，自动切断工作电 路 控制电路的工作原理 天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电 势较低，则输出端Y输出高电平，工作电路不通；天较暗时，光 敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到 一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A ，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后 ，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定 值，输出端 Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有较大电 流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭 12.温度报警器工作原理 常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电 平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发 声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入 端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平 跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl的阻值不同， 则报警温度不同 减小R1的阻值可使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警 原因：R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平， 则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高 逻辑电路逻辑电路 A A B B Z Z 结果结果 结果结果 条件条件 “与与”逻辑关系逻辑关系 结果结果 “或或”逻辑关系逻辑关系 结果结果 条件条件 A A B B Z Z A A “非非”逻辑关系逻辑关系 结果结果 Z Z 条件条件 真值表真值表 与门与门 或门或门 非门非门 符号符号 A A Y Y 1 1 A A Y Y B B & A A Y Y B B 1 1 例4：如图图所示，图图(甲)为热为热 敏电电阻的Rt图图象，图为图为 用 此热热敏电电阻R和继电继电 器组组成的一个简单简单 恒温箱电电路，继电继电 器 线线圈的电电阻为为150.当线圈中的电流大于或等于20mA时，继 电器的衔铁被吸合为继电器线圈供电的电池电动势E6V， 内阻可以不计图中“电源”是恒温箱加热器的电源(1)应 该把恒温箱内的加热器接在A、B端还是C、D端？(2)如果要使 恒温箱内的温度保持100，可变电阻R的阻值应调节为多 少？ 解析：由(甲)图线知，热敏电阻R的阻值随温度 升高而减小，因而电磁继电器电路中的电流增大， 当电流增大到20mA时，衔铁被吸下，触点与A分离 而与C接触，此时应该断开加热电路，所以加热器 应接在A、B之间 (1)应将加热器接在A、B端 5、如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中P为金 属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O是悬挂点，R0是保护电阻 ，CD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终保 持良好接触，无风时细金属丝与电阻丝在C点接触，此时电路中 的电流为I， 有风时细风时细 金属丝丝将偏转转一角度(与风风力大小 有关)，细细金属丝丝与电电阻丝丝在B点接触，已知风风力方向水平向左 ，OCh，CDL，球的质质量为为M，电电阻丝单丝单 位长长度的电电阻为为k ，电电源内电电阻和细细金属丝电丝电 阻均不计计，金属丝丝偏转转角时时， 电电流表的示数为为I，此时风时风 力大小为为F，试试写出：(1)风