1、第六章第六章 传感器传感器6-1传感器及其工作原理传感器及其工作原理什么是传感器讨论与交流人体对外界的感觉可分为哪几种？分别由什么器官承担？人体感觉人体感觉 感觉器官感觉器官 视觉视觉眼睛眼睛听觉听觉耳朵耳朵味觉味觉舌头舌头嗅觉嗅觉鼻子鼻子触觉触觉皮肤皮肤1、传感器的定义、传感器的定义 能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求把这些信息转换成可按照一定的规律和要求把这些信息转换成可用输出信息的器件或装置。用输出信息的器件或装置。2、传感器的分类、传感器的分类物理传感器、化学传感器、生物传感器物理传感器、化学传感器、生物传感器一般来说，用于
2、完成视觉、听觉、触觉功能的传感器一般来说，用于完成视觉、听觉、触觉功能的传感器其接受的是光、声波、压力等的物理信息称其接受的是光、声波、压力等的物理信息称物理传感器物理传感器代替嗅觉、味觉功能的传感器，则称代替嗅觉、味觉功能的传感器，则称化学传感器或生物化学传感器或生物传感器传感器（按感受信息的学科特点不同）（按感受信息的学科特点不同）3 3、传传感器的工作原理感器的工作原理传感器：非电学量传感器：非电学量传感器传感器电学量电学量 角度角度位移位移速度速度压力压力温度温度湿度湿度声强声强光照光照传感器传感器电压电压电流电流电阻电阻电容电容传感器工作原理图传感器工作原理图敏感元件敏感元件转换元件
3、转换元件接口电路接口电路辅辅 助助 电电 源源非电学量非电学量电学量电学量(1)、温度传感器部件温度传感器部件（将温度高低转变成电信号）（将温度高低转变成电信号）观察与思考观察与思考两种温度两种温度的水的水 凉水凉水 开水开水电阻值情电阻值情况况4、常用的传感器部件常用的传感器部件温度升高电阻增大温度升高电阻增大电阻大电阻大电阻小电阻小热敏电阻热敏电阻一般随温度升高电阻减小一般随温度升高电阻减小（半导体材料）（半导体材料）金属热电阻金属热电阻半导体的导电机理半导体的导电机理V右图是一个温度传感器的原理示意图右图是一个温度传感器的原理示意图,Rt是一个热敏电阻器。试说明传感器是是一个热敏电阻器。
4、试说明传感器是如何把温度值转变为电信号的。如何把温度值转变为电信号的。RtR温度升高或降低导致温度升高或降低导致Rt阻值发生阻值发生变化，使电路中电流也发生变化，导致变化，使电路中电流也发生变化，导致R上上的电压也发生改变，因此电压表读数将会发生变化，的电压也发生改变，因此电压表读数将会发生变化，从而就将温度的化转变为电信号。从而就将温度的化转变为电信号。思考方向：思考方向：1、两电阻采取什么、两电阻采取什么连接方式？连接方式？2、转变的电信号应该是哪个、转变的电信号应该是哪个电学量？电学量？3、电压表测的是哪个电阻的电压？、电压表测的是哪个电阻的电压？（2）光敏传感器部件）光敏传感器部件（2
5、）光敏传感器）光敏传感器光照情况光照情况受光表面暴露受光表面暴露电阻值的情电阻值的情况况手遮盖受手遮盖受光光表面表面 实验实验电阻小电阻小电阻大电阻大光敏电阻光敏电阻电阻随光照的增强而减小电阻随光照的增强而减小（半导体材料）（半导体材料）(4)(4)干簧管干簧管是一种能感知磁场的传感器是一种能感知磁场的传感器 电容式电容式位移位移传感器能够把物体的传感器能够把物体的位位移移这个力学量转化为这个力学量转化为电容电容这个电学量。这个电学量。插入电介质，电容增大插入电介质，电容增大(5)电容式位移传感器电容式位移传感器(6)(6)霍尔元件霍尔元件 一个霍尔元件的一个霍尔元件的d d和和k k为为定值
6、定值,再保持再保持I I恒定恒定,则则U UK K的的变化就与变化就与B B成正比成正比HIBUKd把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量推导霍尔电压的公式推导霍尔电压的公式 设载流子的电荷量为设载流子的电荷量为q q，沿电流方向定向运动，沿电流方向定向运动的平均速率为的平均速率为v v，单位体积内自由移动的载流，单位体积内自由移动的载流子数为子数为n n，垂直电流方向导体板的横向宽度为，垂直电流方向导体板的横向宽度为a a，则电流的微观表达式为，则电流的微观表达式为 载流子在磁场中受到的洛伦兹力载流子在磁场中受到的洛伦兹力载流子在洛伦兹力作用下侧
7、移，两个侧面出载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差载流子受到的电场力为现电势差载流子受到的电场力为 当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即 由由式得式得 式中的式中的nqnq与导体的材料有关，对于确定的导体，与导体的材料有关，对于确定的导体，nqnq是常数。是常数。令令 则上式可写为则上式可写为 nqadvI aUqFHqvBf qvBaUqHnqdIBUHnqk1dIBkUH填空：力敏传感器力敏传感器接受接受 信息，并转化为电信号信息，并转化为电信号 .接受接受 信息，并转化为电信号信息，并转化为电信号位移传感器位移传感器光敏传感器光敏
8、传感器接受接受 信息，并转化为信息，并转化为 。接受接受 信息，并转化为信息，并转化为 。声敏传感器声敏传感器力力位置位置电信号光光电信号声声列举生活中的一些自动控制实例，列举生活中的一些自动控制实例，遥控器控制电视开关遥控器控制电视开关 日光控制路灯的开关日光控制路灯的开关 声音强弱控制走廊照明灯开关等声音强弱控制走廊照明灯开关等 自动门自动门 等等 安检门安检门如图所示，如图所示，R1、R2为定值电阻，为定值电阻，L为小灯泡，为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强为光敏电阻，当照射光强度增大时度增大时()A电压表的示数增大电压表的示数增大BR2中电流减小中电流减小C小灯泡的功率增大小灯泡的功
9、率增大D电路的路端电压增大电路的路端电压增大例例1【思路点拨【思路点拨】当照射光强度增大时，光敏电阻阻值发当照射光强度增大时，光敏电阻阻值发生变化，然后根据直流电路的动态分析方法进行判断生变化，然后根据直流电路的动态分析方法进行判断【精讲精析【精讲精析】光的强度是被测量，光敏电阻光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏为光敏感元件，同时也是转换器件当光强度增大时，感元件，同时也是转换器件当光强度增大时，R3阻值阻值减小，外电路电阻随减小，外电路电阻随R3的减小而减小，的减小而减小，R1两端电压因干两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路
10、端电压减小，而电压表的示数增大，减小，而电压表的示数增大，A项正确，项正确，D项错误由路项错误由路端电压减小，而端电压减小，而R1两端电压增大，可知两端电压增大，可知R2两端电压必减两端电压必减小，则小，则R2中电流减小，故中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知项正确；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，流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正项正确确【答案【答案】ABC【规律总结【规律总结】解决光敏电阻相关的问题，解决光敏电阻相关的问题，要分两步走要分两步走(1)明确光敏电阻的阻值随光照如何变化明确光敏电阻的阻值随光照如何变化(2)结合光敏电阻阻值的变
11、化，利用闭合电结合光敏电阻阻值的变化，利用闭合电路的欧姆定律等相关运算，解决光敏电阻路的欧姆定律等相关运算，解决光敏电阻对电路的影响对电路的影响变式训练变式训练1.在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制如的变化可实现对电路相关物理量的控制如图所示电路，图所示电路，R1为定值电阻，为定值电阻，R2为半导体热为半导体热敏电阻敏电阻(温度越高电阻越小温度越高电阻越小)，C为电容器当为电容器当环境温度降低时环境温度降低时()A电容器电容器C的带电量增大的带电量增大B电压表的读数增大电压表的读数增大C电容器电容器C两板间的电场强度减小两
12、板间的电场强度减小DR1消耗的功率增大消耗的功率增大如图是霍尔元件的工作原理示意如图是霍尔元件的工作原理示意图，如果用图，如果用d d表示薄片的厚度，表示薄片的厚度，k k为霍尔为霍尔系数，对于一个霍尔元件系数，对于一个霍尔元件d d、k k为定值，为定值，如果保持如果保持I I恒定恒定,则可以验证则可以验证U UH H随随B B的变的变化情况以下说法中正确的是化情况以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面工作面是指较大的平面)()()A A将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，U UH H将变将变大大B B在测定地球两极的磁场强弱时，霍尔元件
13、的工作面应保持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水平C 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持水平D D改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角，U UH H将发生变化将发生变化例例2【思路点拨【思路点拨】解答本题应把握以下两点解答本题应把握以下两点(1)掌握掌握UH与与I、B的关系的关系(2)磁感线方向变化引起磁感线方向变化引起UH的变化的变化【答案【答案】ABD 变式训练变式训练2.如图所示，截面为矩形的金属导体，如图所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流
14、时，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上、下表面的电势的关系为导体的上、下表面的电势的关系为()AMN BMNCMN D无法判断无法判断解析：选解析：选A.霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用，做定向移动形成的磁场中受到洛伦兹力作用，做定向移动形成的,根根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则板运动，则M板剩下正电荷，所以板剩下正电荷，所以MN.1.原理原理电容器的电容电容器的电容C取决于极板正对面积取决于极板正对面积S，极，极板间距离板间距离d及极板间电介质这几个因素，如及极板
15、间电介质这几个因素，如果某一物理量果某一物理量(如角度如角度、位移、位移x、深度、深度h等等)的变化能引起上述某一因素的变化，从而的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电容的变化，那么测定电容器的电容引起电容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化就可以确定上述物理量的变化电容式传感器电容式传感器2.常见电容式传感器常见电容式传感器名称名称传感器传感器原理原理测定测定角度角度的电的电容式容式传感传感器器当动片与定片之间当动片与定片之间的角度的角度发生变化发生变化时，引起极板正对时，引起极板正对面积面积S的变化，使的变化，使电容电容C发生变化，发生变化，知道知道C的变化，就的变化
16、，就可以知道可以知道的变化的变化情况情况名称名称传感器传感器原理原理测定测定液面液面高度高度h的的电容电容式传式传感器感器在导线芯的外面涂上一层在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度介质，液面高度h发生变发生变化时，引起正对面积发生化时，引起正对面积发生变化，使电容变化，使电容C发生变发生变化知道化知道C的变化，就可的变化，就可以知道以知道h的变化情况的变化情况名称名称传感器传感器原理原理测定测定压力压力F的的电容电容式传
17、式传感器感器待测压力待测压力F作用于作用于可动膜片电极上的可动膜片电极上的时候，膜片发生形时候，膜片发生形变，使极板间距离变，使极板间距离d发生变化，引起发生变化，引起电容电容C的变化，知的变化，知道道C的变化，就可的变化，就可以知道以知道 F F的变化情的变化情况况名称名称传感器传感器原理原理测定测定位移位移x的的电容电容式传式传感器感器随着电介质进随着电介质进入极板间的长入极板间的长度发生变化，度发生变化，电容电容C发生变发生变化，知道化，知道C的的变化，就可以变化，就可以知道知道x的变化情的变化情况况 如图所示是如图所示是电容式话筒电容式话筒的示意图，它是利的示意图，它是利用电容制作的传
18、感器，话筒的振动膜前面有薄薄用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间一电压在两极间一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的两板间的()A距离变化距离变化B正对面积变化正对面积变化C介质变化介质变化 D电压变化电压变化
19、例例3【解析【解析】平行板电容器的电容平行板电容器的电容CrS/d,本例中的介质没有变本例中的介质没有变化，正对面积也没有变化化，正对面积也没有变化,引起电引起电容变化的因素是板间距离容变化的因素是板间距离d.【答案【答案】A【规律总结【规律总结】电容式传感器是应用了电容器的电容电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素素(如力、位移、压强、声音等如力、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量学量转化为电容器的电容这个电学量小小 结结1 1制作传感器需要的敏感元件
20、有制作传感器需要的敏感元件有光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻、霍尔元件等。光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻、霍尔元件等。2 2光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏电光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。阻将光学量转化为电阻这个电学量。3 3热敏电阻的阻值随温度的升高而减小；金属热电热敏电阻的阻值随温度的升高而减小；金属热电阻的阻值随温度的升高而增大。热敏电阻或金属阻的阻值随温度的升高而增大。热敏电阻或金属热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。4 4霍尔元件的霍尔电压公式为：霍尔元件的霍尔电压公式为：霍尔元件把
21、磁感应强度这个磁学量转化为电压霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。这个电学量。5 5电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量这个电学量 nqdIBUH随堂练习随堂练习1 1、如图所示为如图所示为光敏电阻自动计数器光敏电阻自动计数器的示的示意图，其中意图，其中R R1 1为光敏电阻，为光敏电阻，R R2 2为定值电阻此光为定值电阻此光电计数器的基本工作原理是（电计数器的基本工作原理是（）A A当有光照射当有光照射R R1 1时，信号处理系统获得高电压时，信号处理系统获得高电压B B当有光照射当有光照射R R1 1时，信号处理系
22、统获得低电压时，信号处理系统获得低电压C C信号处理系统每获得一次低电压就记数一次信号处理系统每获得一次低电压就记数一次D D信号处理系统每获得一次高电压就记数一次信号处理系统每获得一次高电压就记数一次ACAC随堂练习随堂练习2 2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A A、B B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（）A A置入热水中与不置入热水中相
23、比，欧姆表示数变化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较大，这只元件一定是热敏电阻B B置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变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化，这只元件一定是定值电阻C C用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表用黑纸包住元件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示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻D D用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表用黑纸包住元件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示数相同，这只元件一定是定值电阻ACAC随堂练习随堂练习3 3、如图所示，有电流如图所示，有电流I I流过长方体流过长方体金属块，金属块宽度为金属块，金属块宽度为d d，高为，高为b b，有一磁，有一磁感应强度为感应强度为B B的匀强磁场垂直于纸面向里，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金属块单位体积内的自由电子数为n n，试问，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？多少？下表面下表面nedIBU
