6.1 传感器及其工作原理.ppt

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1、第六章第六章 传感器传感器 历经6个多月太空之旅后，成功登陆火星。地面控制人员用歌曲早上好、早上好唤醒了远在火星上的“勇气号”。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:红外线红外线遥控器遥控器控制电视开关控制电视开关 日日光控光控制路灯的制路灯的开关开关 声声音强弱音强弱控控制走廊照明灯制走廊照明灯开关开关等等 自动门等自动门等这些自动控制都要用到传感器！6.1 6.1 传感器及其工作原理传感器及其工作原理 干簧管：是一种能够感知磁场的传感器干簧管：是一种能够感知磁场的传感器图6.1-1将磁铁放在盒子上面，灯泡就会亮；把磁铁移走，灯泡熄灭。一、什么是传感器一、什么是传感器阅读

2、教材阅读教材P P5151 1 1、2 2、3 3段，思考问题：段，思考问题：（1 1）什么是传感器？）什么是传感器？（2 2）传感器的作用是什么？）传感器的作用是什么？（1 1）传感器是指这样一类元件：它能够感知诸）传感器是指这样一类元件：它能够感知诸如如力、温度、光、声、化学成分力、温度、光、声、化学成分等非电学量，等非电学量，并把它们按照一定的规律转换成并把它们按照一定的规律转换成电压、电流电压、电流等等电学量（连续变化的模拟量），或转化为电学量（连续变化的模拟量），或转化为电路电路的通断的通断（跃变的开关量）。（跃变的开关量）。（2 2）传感器的作用是）传感器的作用是把非电学量转化为电

3、学量把非电学量转化为电学量或电路的通断或电路的通断，从而实现很方便地，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阅读教材阅读教材P P5252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？怎样解释？）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样解释？（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、1 1）光敏电阻的）光敏电阻的电阻率与光照强度有关电阻率与光照强度有关。（2 2）光敏电阻受到）光敏电阻受到光照时电阻会变小光照时电阻会变小。硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，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；随着导电性能不好；随着光照增强，载流子增多，导电光照增强，载流子增多，导电 性能变好。性能变好。即即R R变小。变小。（3 3）光敏电阻能够将光照强弱（）光敏电阻能够将光照强弱（光学量）光学量）转化为转化为电阻电阻这这 个电学量个电学量。二、光敏电阻二、光敏电阻三热敏电阻和金属热电阻三热敏电阻和金属热电阻阅读教材阅读教材5353页有关内容，思考问题：

5、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关）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？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量？）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？（1 1）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。）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。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，即温度升高即温度升高R R变大。（正关系）变大。（正关系）半导体材料的导

6、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，即温度升高即温度升高R R变小。（反关系）变小。（反关系）（2 2）热敏电阻）热敏电阻灵敏度高灵敏度高，但，但化学稳定性化学稳定性较差较差，测量范围较小测量范围较小；金属热电阻的；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。灵敏度较差。（3 3）热敏电阻或金属热电阻能够将）热敏电阻或金属热电阻能够将热学热学量量(温度温度)转化为转化为电阻电阻这个电学量。这个电学量。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量这个力学量转化为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

7、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的一个确定的霍尔元件的d d、k k、为定值，再、为定值，再保持保持I I不变，则不变，则U UH H的变化就与的变化就与B B成正比。这成正比。这样，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量样，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。转化为电压这个电学量。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的平均速率为，沿电流方向定向运动的平均速率为v v，单，单位体积内自由移动的载流子数为位体积内自由移动的载流子数为n n，垂直电流方向导体板的横向，垂直电流方向导体板的横

8、向宽度为宽度为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 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

9、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照强度的增大而减小。光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小。光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。光敏电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；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。金属热电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。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这个霍尔元件把磁感应

10、强度这个磁学量转化为电压这个 电学量。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这个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。电学量。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

11、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，将这、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三只元件分别接入如图所示电路中的A A、B B两点后，用两点后，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（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，欧姆表示数变化较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

12、一定是热敏电阻大，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，欧姆表示数不变化，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，欧姆表示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，欧姆表示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，金流过长方体金属块，金属块宽度为属块宽度为d d，高为，高为b b，有一磁感应强度为，有一磁感应强度为B B的的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内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的自由电子数为n n，试问金属块上、下表面哪，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？面电势高？电势差是多少？下表面下表面