传感器的原理及应用.ppt

一、传感器的工作原理 1.概念:能够感受外界信息,并将其按照一定的规律转换成 的器件或装置,叫传感器. 2.组成:一般由 、转换器件、转换电路三个部分组成. 3.原理:通过对某一物理量敏感的元件,将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量.例如,光电传感器利用 将光信号转换成电信号;热电传感器利用 将温度信号转换成电信号.,传感器的原理及应用,考点自清,电信号,敏感元件,光敏电阻,热敏电阻,4.流程: 5.类别:最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换器)组成,它感受被测量时,直接输出电学量,如热电偶.有的传感器由敏感元件和转换器件组成,设有转换电路,如光电池、光电管等;有的传感器,转换电路不止一个,要经过若干次转换. 6.传感器的分类:目前对传感器尚无一个统一的分类方法,常用的分类方法有两个:,(1)按 分类,如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电学量时,相应的传感器称为 传感器、 传感器、 传感器、速度传感器、加速度传感器. (2)按传感器的 分类,可分为 传感器、 传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器等. 7.传感器的元件:制作传感器时经常使用的元件有光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件等.,输入量,温度,压力,位移,工作原理,电阻,电容,二、传感器的应用 1.力传感器的应用电子秤 (1)作用:称量物体重量 (2)敏感元件:应变片.应变片能够把物体形变这个力学量转换为 这个电学量. 2.声传感器的应用话筒 (1)话筒的作用:把声信号转换为电信号. (2)话筒分类:电容式话筒;驻极体话筒;动圈式话筒.,电压,3.温度传感器:敏感元件:热敏电阻和 ; 应用:电熨斗、电饭锅、测温仪、温度报警器. 4.光传感器:敏感元件:光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等;应用:鼠标、火灾报警器、光控开关.,金属热电阻,热点一 传感器的元件 1.光敏电阻:光敏电阻能把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量. (1)特性:光敏电阻在被光照射时电阻发生变化.光照增强,电阻变小;光照减弱,电阻增大. (2)工作原理:光敏电阻是用半导体材料制成的,硫化镉在无光时,载流子(导电电荷)极少,导电性能不好;随着光照的增强,载流子也增多,导电性能变好.,热点聚焦,2.热敏电阻和金属热电阻:热敏电阻或金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量. (1)特性: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.有些半导体,电阻率随温度的变化非常明显;温度上升时,有些半导体的导电能力增强. (2)电阻温度特性曲线(如图1所示) a金属导线;b热敏电阻.,图1,特别提示 对于金属热电阻其阻值随温度的升高而增大,而一般的半导体热敏电阻其阻值随温度的升高而减小.,3.霍尔元件:霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量. (1)特性:霍尔电压UH= ,式中d为薄片的厚度,k为霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关.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(如图2所示).,(2)工作原理:外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力,在导体板的一侧聚集,在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷,从而形成横向电场;横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力.当静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体板左右两侧会形成稳定的电压.,图2,热点二 常用的电容式传感器 1.角度的电容式传感器,原理是当旋转动片时,电容器两个彼此绝缘的金属板的正对面积发生变化,从而引起电容发生变化.如图3甲所示.,图3,2.液体的电容式传感器,原理是导电液体相当于电容器的一个极板,当液体的深度发生变化时,相当于两个极板的正对面积发生变化,从而电容发生变化.如图乙所示.,3.位移的电容式传感器,原理是当电解质板插入两金属极板间不同的距离时,随着电解质板位移的变化,电容随之变化.如图丙所示. 4.压力的电容式传感器,原理是当作用在一个电极上的压力改变时,金属片的形状发生变化,两金属板的距离发生变化,电容随之改变.如图丁所示.,5.机械式鼠标 (1)内部构成:滚球、滚轴与码盘、红外发射管与红外接收管(光传感器),如图4所示. (2)工作原理:鼠标移动时,滚球运动通过滚轴带动两个码盘转动,红外接收管就收到断续的红外线脉冲,输出相应的电脉冲信号,计算机分别统计x、y两个方向上的脉冲信号,处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移.,图4,题型探究,题型1 传感器的工作原理 【例1】 如图5甲是某同学设计的电容式速度传感器原理图,其中上板为固定极板,下板为待测物体,在两极板间电压恒定的条件下,极板上所带电荷量Q将随待测物体的上下运动而变化.若Q随时间t的变化关系为Q= （a、b为大于零的常数）,其图象如图乙所示,那么图丙、图丁中反映极板间场强大小E和物体速率v随t变化的图线可能是 （ ）,图5,A.和 B.和 C.和 D.和 本题解题的关键点是 (1)电容器的基本公式U= . (2)匀强电场中满足E= . (3)根据函数确定图象大致形状.,思路点拨,解析 平行板电容器间电压恒定,板间场强E= ,故EQ,即E ,故可能正确. 板间电荷量Q=UC=U ,与已知Q随时间的变化关系对比可知d(t+a),即待测物体的运动为匀速运动,故可能正确. 答案 C,本题以电容式速度传感器和图象立意命题,考查了匀强电场中的场强与电势差的关系、平行板电容器知识和用图象表示物理量之间的关系等,本题难度较大.求解本题,要注意利用“Q随时间t的变化关系Q= 及其图象乙”这一信息,然后结合电场相关知识导出图丙、图丁涉及的两物理量间的数学关系式,进而判断给定图象的正误.,方法提炼,变式练习1 如图6所示是电饭锅的结构,试回答下列问题: (1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态？为什么？ (2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?,图6,(3)饭熟后,水分被大米吸收.锅底的温度会有什么变化?这时电饭锅会自动地发生哪些动作? (4)如果用电饭锅烧水,能否在水沸腾后自动断电?为什么?,答案 (1)开始煮饭时压下手动开关,使永磁体和感温磁体吸合,以保持触点接触,接通电热电路;手松开后这个按钮不会恢复到图示状态,因为永磁体与感温磁体相互吸引,弹簧的弹力不能使永磁体恢复原状态. (2)水沸腾后,锅内的温度应大致保持在100,因为水的沸点是100,此时水分未被米吸收完,锅内水分较充足,所以能保持一段时间.,(3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度会由100升到103,达到居里点,此时开关按钮会自动弹起,断开加热电路,进入保温状态.因为锅底温度达到103时,感温磁体失去磁性,永磁体再不能与它吸合,在弹簧的作用下,开关按钮恢复初始状态. (4)如果用电饭锅烧水,水沸腾后不能自动断电,因为水沸腾的温度是100,而不能达到103(居里点),水将一直沸腾直到烧干.,题型2 温度传感器的应用 【例2】 如图7所示,图甲为热敏电阻的Rt图象,图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器的电阻为100 .当线圈的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸合.为继电器线圈供电的电池的电动势E=9.0 V,内阻可以不计.图中的“电源”是恒温箱加热器的电源.问:,图7,(1)应该把恒温箱内的加热器接在 (填“A、B”端或“C、D”端). (2)如果要使恒温箱内的温度保持50,可变电阻R的阻值应调节为 .,思维导图,解析 恒温箱内的加热器应接在A、B端.当线圈中的电流较小时,继电器的衔铁在上方,恒温箱的加热器处于工作状态,恒温箱内温度升高. 随着恒温箱内温度升高,热敏电阻R的阻值变小,则线圈中的电流变大,当线圈的电流大于或等于20 mA时,继电器的衔铁被吸到下方来,则恒温箱加热器与电源断开,加热器停止工作,恒温箱内温度降低. 随着恒温箱内温度降低,热敏电阻R的阻值变大,则线圈中的电流变小,当线圈的电流小于20 mA时,继电器的衔铁又被释放到上方,则恒温箱加热器又开始工作,这样,就可以使恒温箱内保持在某一温度. 要使恒温箱内的温度保持50,即50时线圈内的电流为20 mA.由闭合电路欧姆定律I = ,r为继电器的电阻.由图甲可知,50时热敏电阻的阻值为90 ,所以R= -R-r=260 . 答案 (1)A、B端 (2)260,变式练习2 传感器担负着信息的采集任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量 (如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量),例如热敏传感器,主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻.热敏电阻阻值随温度变化的图线如图8甲所示,图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器的线路图.问:,图8,(1)为了使温度过高时报警器铃响,