课时传感器的原理及应用

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.第3课时传感器的原理及应用电信号敏感元件光敏电阻热敏电阻传感器：非电学量→传感器→电学量1整理课件 (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.5.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4.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:2整理课件3.霍尔元件：霍尔元件能够把

这个

量转换为

这个电学量.霍尔电压的表达式是：4.应变式力传感器：应变式力传感器是由金属梁和应变片组成的.应变片是一种敏感元件.弹簧钢制成的梁形元件一端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施加向下的力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻

，下表面的电阻

.磁感应强度磁学电压变大变小3整理课件F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大.如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压

，下面应变片两端的电压

.传感器把这两个电压的差值输出.力F越大，输出的电压差值也就越

.应变片能够把物体

这个力学量转换为电压这个电学量.变大变小大形变4整理课件5.干簧管：普通干簧管有两个簧片，是用有弹性的

材料制成的，它们密封在玻璃管中，成为一组常开型触点.管中充入惰性气体来防止触点被氧化.当磁体靠近(按一定方位)干簧管时，两个簧片被磁化而接通.干簧管将磁场的变化转换成电路的

.软磁性通断原理：当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用！5整理课件6.双金属片：双金属片巧妙地利用了不同金属热膨胀的差异.把膨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，由于两种金属的膨胀程度不同，双金属片就会向膨胀程度

的金属片那一侧弯曲.小6整理课件7.感温铁氧体：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的，它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约103℃时，就失去了

，不能被磁体吸引了.这个温度在物理学中称为该材料的“居里温度”或“

”.铁磁性居里点手动开关接线螺丝触点永磁铁电热板内胆底转轴感温铁氧体7整理课件二、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.电压8整理课件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:①电容式话筒;②驻极体话筒;③动圈式话筒.声———电磁感应———电流动圈式话筒：9整理课件3.温度传感器:①敏感元件:热敏电阻和

; ②应用:电熨斗、电饭锅、测温仪、温度报警器.4.光传感器:①敏感元件:光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管等;②应用:鼠标、火灾报警器、光控开关.金属热电阻U形动触片静触片氖泡图1电熨斗10整理课件4.传感器应用电路设计——光控开关电路如图所示，是用发光二极管(LED)模仿路灯的光控电路，Rg为光敏电阻，R1是变阻器，斯密特触发器是具有特殊功能的非门.当天色较亮时，光敏电阻Rg的阻值较小，输入端A电平较低，输出端Y电平较高，路灯不亮；当天色较暗时，光敏电阻Rg的阻值较大，输入端A电平较高，输出端Y电平较低，路灯发光.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.11整理课件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12整理课件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113整理课件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314整理课件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.15整理课件题型1传感器的工作原理【例1】如图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 A.①和③ B.①和④C.②和③ D.②和④

16整理课件解析

平行板电容器间电压恒定,板间场强E= ,故E∝Q,即E∝ ,故②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③可能正确.答案

C17整理课件变式练习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?手动开关接线螺丝触点永磁铁电热板内胆底转轴感温铁氧体18整理课件(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.19整理课件(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.20整理课件3.下列说法中正确的是 ( ) A.话筒是一种常用的声音传感器,其作用是将电信号 转换为声信号 B.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属 片温度传感器,这种传感器的作用是控制电路的通断 C.电子秤所使用的测力装置是力传感器 D.半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高, 它的电阻值越大

解析

话筒是将声信号转换为电信号,A错误.半导体热敏电阻常用作温度传感器,因为温度越高,它的电阻值越小,D错误.BC21整理课件4.在如图11所示的电路中,电源两端 的电压恒定,L为小灯泡,R为光敏 电阻,LED为发光二极管(电流越大, 发出的光越强),且R与LED相距不 变,下列说法正确的是 ( ) A.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率增大 B.当滑动触头P向左移动时,L消耗的功率减小 C.当滑动触头P向右移动时,L消耗的功率可能不变 D.无论怎样移动触头P,L消耗的功率都不变图1122整理课件

解析

触头P左移,使其电阻减小,流过二极管的电流增大,从而发光增强,使光敏电阻R减小,最终达到增大流过灯泡电流的效果.

答案

A23整理课件题型2温度传感器的应用【例2】如图7所示,图甲为热敏电阻的R—t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100Ω.当线圈的电流大于或等于20mA时,继电器的衔铁被吸合.为继电器线圈供电的电池的电动势E=9.0V,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”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

Ω.24整理课件(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

Ω.思维导图25整理课件解析

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20mA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20mA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26整理课件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20mA.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90Ω,所以R′=-R-r=260Ω.答案

(1)A、B端(2)26027整理课件变式练习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:(1)为了使温度过高时报警器铃响,c应接在

(填a或b).(2)若使启动报警的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P点向

移动(填左或右).28整理课件(3)如果在调试报警器达最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路实际不能工作的原因可能是

.答案

(1)a(2)左(3)可能是乙图中左边电源电压太低或者线圈的匝数太少或者弹簧的劲度系数太大等29整理课件题型3压力传感器的应用【例3】如图9所示为某种电子秤的原理示意图,AB为一均匀的滑动变阻器,阻值为R,长度为L,两边分别有P1、P2两个滑动头,P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动,弹簧处于原长时,P1刚好指着A端,P1与托盘固定相连,若P1、P2间出现电压时,该电压经过放大,通过信号转换器后在显示屏上可显示物体重力的大小.已知弹簧的劲度系数为k,托盘自身质量为m0,电源电动势为E,内阻不计,当地的重力加速度为g.求：30整理课件图9(1)托盘尚未放物体时,在托盘自身重力作用下,P1离A的距离x1.(2)托盘上放有质量为m的物体时,P1离A的距离x2.31整理课件(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点,其方法是：调节P2,使P2离A的距离也为x1,从而使P1、P2间的电压为零.校准零点后,将物体m放在托盘上,试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式.解析

(1)弹簧处于原长时,P1刚好指着A端,在托盘自身重力作用下(托盘自身质量为m0),P1离A的距离为x1,由力学平衡知识得m0g=kx1 ①解得x1= ②(2)由受力分析可知:m0g+mg=kx2 ③解得x2= ④32整理课件(3)当托盘上放有质量为m的物体时,P1离P2的距离为x2-x1= ⑤滑动变阻器与电源组成的电路中电流恒定,电源内阻不计,由闭合电路欧姆定律可知I=⑥P1、P2间电压U=IR12=(x2-x1)= ⑦可解得m= ⑧答案

(1)(2)(3)m=33整理课件【评分标准】

本题共12分.其中①③⑥⑦式各2分,②④⑤⑧式各1分.【名师导析】本题背景内容新颖、形式灵活,这是现今高考的趋势之一.有的学生因读不透材料、得不到相关的信息而坠入云里雾中.题目意在考查学生对所学知识的理解能力、对实际问题的分析和判断能力、对图象信息的提取和加工能力.34整理课件自我批阅(18分)用如图10所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度,该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组合成的压力传感器,用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块,滑块可无摩擦滑动,两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上,其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出.现将装置沿运动方向固定在汽车上,传感器b在前,传感器a在后.汽车静止时,传感器a、b的示数均为10N.(g取10m/s2)35整理课件(1)若传感器a的示数为14N,b的示数为6.0N,求此时汽车的加速度大小和方向.(2)当汽车以怎样的加速度运动时,传感器a的示数为零.图1036整理课件解析

传感器上所显示出力的大小,即弹簧对传感器的压力,据牛顿第三定律知,此即为弹簧上的弹力大小,亦即该弹簧对滑块的弹力大小.(1)如右图所示,依题意：左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14N,右侧弹簧对滑块的向左的推力F2=6.0N.(3分)滑块所受合力产生加速度a1,根据牛顿第二定律有F1-F2=ma1 (3分)得a1= m/s2=4m/s2 (2分)a1与F1同方向,即向前(向右). (2分)37整理课件(2)a传感器的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F1′=0,因两弹簧相同,左弹簧伸长多少,右弹簧就缩短多少,所以右弹簧的弹力变为F2′=20N. (3分)滑块所受合力产生加速度,由牛顿第二定律得F合=F2′=ma2 (3分)得a2= =-10m/s2负号表示方向向后(向左). (2分)答案

(1)4m/s2向右(2)10m/s2向左38整理课件4.图12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 ( ) 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将发生变化图1239整理课件

解析

根据公式UH=k可以看出,当磁极靠近霍尔元件的工作面时,B增大,UH将变大;在地球两极附近,可以认为地磁场与水平面垂直,霍尔元件的工作面保持水平,故B答案正确.而在赤道上,地磁与水平面平行.若霍尔元件的工作面保持水平,则无电压产生,C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,相当于改变了霍尔系数k,故UH将发生变化,故D正确.

答案

ABD40整理课件5.如图13所示,是一个测定液体高度的传感器,在导线芯的外面涂上一层绝缘物质,放在导电液中,导线芯和导电液构成电容器的两极,把这两极接入外电路,当外电路中的电流变化使电容值增大时,则导电液体深度h变化为 ( ) A.h增大 B.h减小 C.h不变 D.无法确定图1341整理课件

解析由题意知,导线芯和导电液体构成电容器的两极,类似于平行板电容器的两极,当液面高度发生变化时相当于两极正对面积发生变化,会引起电容的变化,与平行