传感器及其工作原理(1).ppt

第六章第六章 传感器传感器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 安检门安检门第一节第一节 传感器及其工作原理传感器及其工作原理一、什么是传感器一、什么是传感器（1 1）什么是传感器？）什么是传感器？磁感应强度的变化磁感应强度的变化 簧片的磁化和去磁簧片的磁化和去磁 电路的通断电路的通断 演示：演示：传感器是指这样一类元件：它能传感器是指这样一类元件：它能够感知诸如够感知诸如力、温度、光、声、力、温度、光、声、化学成分化学成分等非电学量，并把它们等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成按照一定的规律转化成电压、电电压、电流流等电学量，或转化为等电学量，或转化为电路的通电路的通断断。传感器的定义：传感器的定义：（2 2）传感器的作用是什么？）传感器的作用是什么？传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地路的通断，从而实现很方便地测量、传输、测量、传输、处理和控制处理和控制。 非电学量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敏感元件转换器件转换电路（3 3）传感器的工作原理）传感器的工作原理 二、常见制作传感器的元件二、常见制作传感器的元件 1 1、干簧管、干簧管：是一种能够感知磁场的传感器：是一种能够感知磁场的传感器根据演示实验并结合教材根据演示实验并结合教材P P5757的内容，思考问题：的内容，思考问题：（1 1）光敏电阻的电阻率与什么有关？）光敏电阻的电阻率与什么有关？（2 2）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样解）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样解释？释？（3 3）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？（4 4）如下图所示，随着光照强度的增加，多用表的）如下图所示，随着光照强度的增加，多用表的指针将如何偏转？指针将如何偏转？2、光敏电阻、光敏电阻 演示实验：将光敏电阻和多用表的欧姆档相连，随着光照不同，表有何变化？（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。（2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化）光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照增强，载极少，导电性能不好；随着光照增强，载流子增多，导电性能变好。流子增多，导电性能变好。（3）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。电学量。（4）随着光照强度的增加，多用表的指针偏）随着光照强度的增加，多用表的指针偏角逐渐变大。角逐渐变大。光敏电阻工作原理：三热敏电阻和金属热电阻三热敏电阻和金属热电阻根据演示实验并结合教材根据演示实验并结合教材5858页有关内容，思考问题：页有关内容，思考问题：（1 1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否相同？关系是否相同？（2 2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？ （3 3）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？量？（4 4）演示实验：将热敏电阻和多用表的欧姆档相连，把热敏电阻放到剩水的杯中，向杯里倒入热水，（1 1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系不相同。关系不相同。 金属导体的导电性能随温度升高而降低金属导体的导电性能随温度升高而降低 半导体材料的导电性能随温度升高而变好半导体材料的导电性能随温度升高而变好（2 2）热敏电阻热敏电阻灵敏度高灵敏度高，但，但化学稳定性较差化学稳定性较差， 测量范围较小测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。好，测量范围较大，但灵敏度较差。（3 3）热敏电阻和金属热电阻能够将温度这个热学量转）热敏电阻和金属热电阻能够将温度这个热学量转化电阻量这个电学量。化电阻量这个电学量。（4 4）随着水温升高，多用表的指针偏角逐渐变大）随着水温升高，多用表的指针偏角逐渐变大热敏电阻和金属热电阻的温度曲线。热敏电阻和金属热电阻的温度曲线。 电容式传感器能够把电容式传感器能够把位移位移这个力学这个力学量转化为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，电容增大四霍尔元件四霍尔元件 一个确定的霍尔元件一个确定的霍尔元件的的d d、k k、为定值，再保、为定值，再保持持I I不变，则不变，则U UH H的变化的变化就与就与B B成正比。这样，霍成正比。这样，霍尔元件能够把磁感应强尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电度这个磁学量转化为电压这个电学量。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的平，沿电流方向定向运动的平均速率为均速率为v v，单位体积内自由移动的载流子数为，单位体积内自由移动的载流子数为n n，垂直电，垂直电流方向导体板的横向宽度为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移，两个侧面出现电势差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 由式得由式得 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小小 结结1 1制作传感器需要的敏感元件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例例1 1、如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，、如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中其中R R1 1为光敏电阻，为光敏电阻，R R2 2为定值电阻此光电计数为定值电阻此光电计数器的基本工作原理是（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例例2 2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将、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这三只元件分别接入如图所示电路中的A A、B B两点后，两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆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（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例例3 3、 如图所示，有电流如图所示，有电流I I流过长方体金属块，流过长方体金属块，金属块宽度为金属块宽度为d d，高为，高为b b，有一磁感应强度，有一磁感应强度为为B B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单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位体积内的自由电子数为n n，试问金属块上、，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？下表面哪面电势高？电势差是多少？ 下表面下表面nedIBU