常见传感器的工作原理.ppt

第5章 传感器及其应用,本章以生活中常见的传感器入手，以对传感器的认识过程为主线，以转换思想为理论依据，深入研究了传感器的原理、应用以及自动控制电路的设计，重点是对传感器认识过程、传感器的原理的理解及其在各领域的广泛应用，学会由非电学量转换为电学量的转换思想，掌握传感器和自动控制电路的工作过程，会用传感器和转换思想设计简单的自控装置,课程标准对本章的要求是： 1知道非电学量转换成电学量的技术意义 2通过实验，知道常见传感器的工作原理 3列举传感器在生活和生产中的应用 本章重点：传感器的基本原理及其在日常生活和生产中的应用 本章难点：光电传感器、温度传感器的工作原理，运用有关的物理知识解释生活中的实际问题,本章知识与我们的生活息息相关，在学习过程中既要熟记各种敏感元件的特性，又要结合实例认真体会传感器在实际中的应用，努力培养自己理论联系实际的能力和动手能力，同时，注意观察身边应用传感器的装置或仪器，并通过查资料或上网了解它们的工作原理，培养自己的观察能力和自学能力,第1节 揭开传感器的“面纱”,第2节 常见传感器的工作原理,学习目标：1.知道什么是传感器 2了解传感器的分类情况 3知道光电传感器的原理，了解光电传感器在生活中的应用 4知道温度传感器的原理，了解温度传感器在生活中的应用,重点难点：1.传感器的基本原理及其构造，光敏电阻和热敏电阻的特性 2设计制作简易温度报警器 易错问题：1.对传感器电路的工作原理及敏感元件的特点分析不到位 2错误的认为热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,一、什么是传感器 麦克风能把 信号转变成电信号；电子秤能测量重力，把 信号转变成电信号，经过对电信号的处理用数字显示出重物的质量；像这种能够感受到力、温度、光、声音、化学等非电学量，并能把它们转变成 量的器件或装置叫做传感器,基础知识梳理,声音,压力,电学,【思考提示】 传感器的一个显著特点是将非电学量转化为电学量，其工作原理如图所示：,思考,传感器的特点是什么？其原理怎样？,二、种类繁多的传感器 电容传感器、电感传感器、光传感器、力传感器，这类属于 传感器；气敏传感器、湿敏传感器属于 传感器；组织传感器、细胞传感器、酶传感器属于 传感器,物理,化学,生物,三、光电传感器的原理 光电传感器是一种能够感受光信号，并按照一定的规律把光信号转变成电信号的器件或装置，其敏感元件是 电阻；光敏电阻器是由金属硫化物等 材料制成的，当光照射到这些半导体物质上时，它的电阻率 ，阻值也随之减小 说明：敏感元件是传感器的核心部分，是一个关键部分，并不一定是一个完整的传感器,光敏,半导体,减小,四、探究温度传感器的原理 温度传感器是一种将 变化转换为电学量变化的装置温度传感器的敏感元件是 电阻和热电偶等热敏电阻器是由 材料制成的，它的电阻随温度的 而减小 注意：热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元件在工作温度范围内，电阻值随温度的升高而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度的升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器,温度,热敏,半导体,升高,一、常见传感器及其分类 1常见的传感器 传感器种类繁多，具体功能各不相同，下表给出一些常见的传感器及其工作原理,核心要点突破,2传感器的分类 (1)物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器主要应用于像位移、温度、速度、加速度、压力等物理量的转化 (2)化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器主要应用于环境保护、火灾报警、医疗卫生和家用电器等方面 (3)生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器与物理、化学传感器最大的区别在于生物传感器的感受器中含有生命物质,二、光电传感器的原理及光敏电阻 1光电传感器：是一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转换成电信号的器件或装置 2光敏电阻：在被光照射时电阻发生变化，可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量 3半导体的导电机理：以半导体材料硅为例说明半导体的导电机理，图511是硅原子排列示意图，每个原子的最外层有4个电子由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”空穴相当于一个正电荷当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动,如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流自由电子和空穴都叫做载流子,图511,4光敏电阻的特性 当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强，电阻减小不受光照射时的电阻阻值是受光照射时的100倍1000倍,1半导体材料的导电机理决定了光敏电阻的电阻特性，不要将光敏电阻与金属电阻混淆 2光照越强，光敏电阻的电阻率越小，反之则越大,三、温度传感器的原理及热敏电阻 1温度传感器 温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等 2热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成，当半导体材料的温度升高时，必定接收了外界的能量，自己的内能增加，加剧内部分子(或原子)的热运动，使很多束缚电荷变为自由电荷，载流子增多，增强了导电性热敏电阻有温度系数大，灵敏度极高，反应迅速，体积小，寿命长等优点,3热敏电阻的两种类型 热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变化，常见的有两种类型 (1)正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻) 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而增大，其特性与金属热电阻相似，其电阻随温度的变化图象如图512所示,图512,图513,(2)负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻) 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而明显减小，其电阻随温度的变化图象如图513所示,4热敏电阻的用途 热敏电阻可以将温度这一非电学量的变化转化为电阻的变化，进而转化为电流或电压这些电学量的变化，理论上说，所有与温度有关的问题都可以使用热敏电阻热敏电阻的灵敏性好但稳定性较差，测温范围较小,1热敏电阻的阻值随温度的升高其阻值有可能减小，也有可能增大 2半导体热敏电阻虽然有很多优点，但其测温范围较小 3半导体热敏电阻不能用来制造标准电阻,下列说法正确的是( ) A凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器 B湿敏传感器只能是物理传感器 C物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出 D物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应,课堂互动讲练,【思路点拨】 根据传感器的基本原理和用途解决 【解析】 各种传感器虽然工作原理不同，但基本功能相似，多数是将非电学量转化为电学量等，故A错；湿度传感器为化学传感器，故B错，传感器既可将信息转化为电压输出，也可转化为电流、电阻等，故C错由物理传感器定义知D正确 【答案】 D 【规律总结】 (1)传感器的基本作用都是把非电学量转换成电学量 (2)三类传感器的工作原理不同,1关于物理传感器、化学传感器和生物传感器的下列说法中，正确的是( ) A物理传感器利用材料的某种物理性质工作，因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域 B化学传感器是利用某种化学反应来工作的，因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量 C生物传感器的适用范围广，可在任意温度条件下工作 D生物传感器由于含有生命物质，因而对使用传感器的环境条件有一定要求,解析：选D.不论哪种传感器都可以将非电学量转换成电学量输出，故B错，物理传感器在化工领域也可以使用，如温度传感器等，故A错生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性，故C错D对,如图514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( ),图514,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 【思路点拨】 当有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值变小，由R1减小，再由电路知识即可解决,【解析】 R1为光敏电阻，当有光照射时，R1的阻值变小，R2上的电压变大，信号处理系统获得高电压由题意知，当传送带上的物体挡住光时，信号处理系统获得低电压，这种电压高低交替变化的信号转化为相应的数字，实现自动计数的功能，达到自动计数的目的故A、C选项正确 【答案】 AC 【点评】 本题中的自动计数器具有广泛的应用，它是利用光敏电阻对光的敏感特性将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量，并将电路中的电压用信号处理系统识别以达到计数的目的,2.如图515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,图515,解析：选ABC.当照射光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A正确，D错误；由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大,利用负温度系数热敏电阻制作的热传感器，一般体积很小，可以用来测量很小范围内的温度变化，反应快，而且精确度高 (1)如果将负温度系数热敏电阻与电源、电流表和其他元件串联成一个电路，其他因素不变，只要热敏电阻所处区域的温度降低，电路中电流将变_(填“大”或“小”),(2)上述电路中，我们将电流表中的电流刻度换成相应的温度刻度，就能直接显示出热敏电阻附近的温度如果刻度盘正中的温度为20 (如图516甲所示)，则25 的刻度应在20 的刻度的_(填“左”或“右”)侧,图516,(3)为了将热敏电阻放置在某蔬菜大棚内检测大棚内温度变化，请用图516乙中的器材(可增加元器件)设计一个电路 【思路点拨】 根据负温度系数热敏电阻的特性和电路结构及电表改装的原理分析,【解析】 (1)因为负温度系数热敏电阻温度升高时电阻减小，温度降低时，电阻增大故电路中电流会减小 (2)由(1)的分析知，温度越高，电流越大，25 的刻度应对应较大电流，故在20 对应电流刻度的右侧 (3)如图517所示,图517,【答案】 (1)小 (2)右 (3)如图517所示,【规律总结】 应用热敏电阻研究和温度相关的传感器问题时，首先要明确热敏电阻的特性,3如图518所示，将