传感器及其工作原理03624ppt课件

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 3 传感器的组成 辅助电源 敏感元件 转换元件 基本转换电路 被测量 电量 敏感元件是直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量 基本转换电路 上述电路参数接入基本转换电路 简称转换电路 便可转换成电量输出 物理 化学 生物信息 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 走廊声控灯的工作原理 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 3 分类 热敏电阻一般用人工合成的新型陶瓷材料制成 半导体材料的导电性能对温度的变化很敏感 热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类 正温度系数的热敏材料 PTC 它的电阻随温度上升而增加 负温度系数的热敏材料 NTC 它的电阻随温度的上升而下降 临界温度系数的热敏材料 CTC 它的电阻在很小的温度范围 临界 内急剧下降 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 例2 有定值电阻 热敏电阻 光敏电阻三只元件分别接入如图所示电路中A B两点后 用黑纸包住元件置入热水中 观察欧姆表的示数 下列说法正确的是 A 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数变化较大 这只元件一定是热敏电阻B 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数不变化 这只元件一定是定值电阻C 用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比 欧姆表示数变化较大 这只元件一定是光敏电阻D 用黑纸包住与不用黑纸包住元件相比 欧姆表示数相同 这只元件一定是定值电阻 AC 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3 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 解析 当照射光强度增大时 光敏电阻R3的阻值变小 R3与L串联后再与R2并联的总电阻值变小 干路中总电流变大 R1两端电压变大 A正确 R2两端电压减小 通过R2的电流减小 B正确 总电流变大 通过R2的减小 所以通过小灯泡L的电流变大 灯泡变亮 功率增大 C正确 因为干路中电流变大 内电压变大 路端电压变小 D错误 故选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 解析 光敏电阻受光照越强 电阻越小 电流越大 所以将Rt包裹起来电阻增大 指针向左偏 反之向右偏 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 解析 若往Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸发吸热 热敏电阻Rt温度降低 电阻值增大 所以电流减小 指针应向左偏 用吹风机将热风吹向电阻 电阻Rt温度升高 电阻值减小 电流增大 指针向右偏 答案 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 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