高中物理_6.1傳感器及其工作原理

1、列舉生活中的一些自動(dòng)控制實(shí)例 遙控器控制電視開關(guān)遙控器控制電視開關(guān) 日光控制路燈的開關(guān)日光控制路燈的開關(guān) 聲音強(qiáng)弱控制走廊照明燈開關(guān)等聲音強(qiáng)弱控制走廊照明燈開關(guān)等 自動(dòng)門等自動(dòng)門等 安檢門安檢門盒子里面有什么裝置？盒子里面有什么裝置？一、什么是傳感器一、什么是傳感器干簧管干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器是一種能夠感知磁場的傳感器. .干簧管視頻干簧管視頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化 簧片的磁化和去磁簧片的磁化和去磁 電路的通斷電路的通斷 干簧管干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器是一種能夠感知磁場的傳感器. . 傳感器是指這樣一類元件：它能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并把它

2、們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。（1 1）傳感器的定義：）傳感器的定義：（2 2）傳感器的作用是什么？）傳感器的作用是什么？傳感器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量或電路傳感器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量或電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)很方便地的通斷，從而實(shí)現(xiàn)很方便地測(cè)量、傳輸、處理和測(cè)量、傳輸、處理和控制?？刂啤?非電學(xué)量非電學(xué)量傳感器傳感器電學(xué)量電學(xué)量 角度角度位移位移速度速度壓力壓力溫度溫度濕度濕度聲強(qiáng)聲強(qiáng)光照光照 傳感器傳感器電壓電壓電流電流電阻電阻電容電容敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路（3 3）傳感器的工作原理）傳感器的工作原理 二、常見制作傳感器

3、的元件1光敏電阻光敏電阻 實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)演示 ： 光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生明顯變化。光光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生明顯變化。光照越強(qiáng)，電阻越小；反之越弱。照越強(qiáng)，電阻越小；反之越弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 光敏電阻能夠?qū)⒐饷綦娮枘軌驅(qū)⒐鈱W(xué)量光學(xué)量轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)轉(zhuǎn)化為電阻這個(gè)電學(xué)量電學(xué)量 自動(dòng)控制電路自動(dòng)控制電路光電記數(shù)光電記數(shù)介紹半導(dǎo)體材料介紹半導(dǎo)體材料(科學(xué)漫步科學(xué)漫步)載流子：載流子： 空穴、自由電子空穴、自由電子導(dǎo)電原理：導(dǎo)電原理： 當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(shí)，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時(shí)，會(huì)有更多的自由電子和空穴產(chǎn)生，于是導(dǎo)體會(huì)有更多的自由電子和空穴產(chǎn)生，于是導(dǎo)體性增強(qiáng)。

4、性增強(qiáng)。2熱敏電阻和金屬熱電阻熱敏電阻和金屬熱電阻 閱讀教材，問答問題：閱讀教材，問答問題：（1 1）金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能與溫度的變）金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系是否相同？化關(guān)系是否相同？（2 2）熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？）熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？ （3 3）熱敏電阻和金屬熱電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什）熱敏電阻和金屬熱電阻能夠?qū)⑹裁戳哭D(zhuǎn)化為什么量？么量？ 金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低( (溫度升高電溫度升高電阻增大）；阻增大）；半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能隨溫度升高而增強(qiáng)的導(dǎo)電性能隨溫度升高而增強(qiáng)溫度升

5、高電阻減?。囟壬唠娮铚p?。崦綦娮锜崦綦娮桁`敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測(cè)量范圍較靈敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測(cè)量范圍較?。恍。唤饘贌犭娮杞饘贌犭娮璧幕瘜W(xué)穩(wěn)定性較好，測(cè)量范圍較大，的化學(xué)穩(wěn)定性較好，測(cè)量范圍較大，但靈敏度較差。但靈敏度較差。 熱敏電阻或金屬熱電阻熱敏電阻或金屬熱電阻能夠?qū)⒛軌驅(qū)釋W(xué)量熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為電學(xué)量電學(xué)量 熱敏電阻視頻（4 4）熱敏電阻和金屬熱電阻的溫度曲線。）熱敏電阻和金屬熱電阻的溫度曲線。 電容式傳感器能夠把電容式傳感器能夠把位移位移這個(gè)力學(xué)這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為量轉(zhuǎn)化為電容電容這個(gè)電學(xué)量。這個(gè)電學(xué)量。 插入電介質(zhì)，電容增大插入電介質(zhì)，電容增大3. 電容式傳感器常見

6、的電容式傳感器：常見的電容式傳感器：（1）測(cè)定角度）測(cè)定角度： （2）測(cè)定液面高度）測(cè)定液面高度h： （3）測(cè)定壓力）測(cè)定壓力F： （4）測(cè)定位移）測(cè)定位移x： 定片定片動(dòng)片動(dòng)片電介質(zhì)電介質(zhì)金屬芯線金屬芯線導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體待測(cè)壓力待測(cè)壓力F固定電極固定電極可動(dòng)電極可動(dòng)電極x極板極板極板極板電介質(zhì)電介質(zhì)4.霍爾元件（1）材料：半導(dǎo)體）材料：半導(dǎo)體 如：砷化銦如：砷化銦（2）工作原理圖）工作原理圖dkUHIB（3）霍爾電壓）霍爾電壓: : d薄片厚度薄片厚度K霍爾系數(shù)其大小與元件的材料有關(guān)。霍爾系數(shù)其大小與元件的材料有關(guān)。推導(dǎo)霍爾電壓的公式 設(shè)載流子的電荷量為設(shè)載流子的電荷量為q q，沿電流方向定

7、向運(yùn)動(dòng)的平均速率為，沿電流方向定向運(yùn)動(dòng)的平均速率為v v，單位體積內(nèi)自由移動(dòng)的載流子數(shù)為單位體積內(nèi)自由移動(dòng)的載流子數(shù)為n n，垂直電流方向?qū)w板的橫向，垂直電流方向?qū)w板的橫向?qū)挾葹閷挾葹閍 a，則電流的微觀表達(dá)式為，則電流的微觀表達(dá)式為 載流子在磁場中受到的洛倫茲力載流子在磁場中受到的洛倫茲力載流子在洛倫茲力作用下側(cè)移，兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)電勢(shì)差載流子在洛倫茲力作用下側(cè)移，兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)電勢(shì)差載流子受到的電場力為載流子受到的電場力為當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，洛倫茲力與電場力平衡，即當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，洛倫茲力與電場力平衡，即 由式得由式得 式中的式中的nqnq與導(dǎo)體的材料有關(guān)，對(duì)于確定的導(dǎo)體，與導(dǎo)體的材料有關(guān)，

8、對(duì)于確定的導(dǎo)體，nqnq是常數(shù)。是常數(shù)。 令令 則上式可寫為則上式可寫為 In q a d vHUFqafq v BqvB HUqaHIBUnqd1knqHIBUkd1.傳感器的概念：傳感器的概念：小結(jié)：小結(jié)：2.傳感器的工作原理：傳感器的工作原理：3.敏感元件：敏感元件：（1）光敏電阻光敏電阻 （光電傳感器光電傳感器）（2）熱敏電阻和熱電阻熱敏電阻和熱電阻 （ 溫度傳感器溫度傳感器）（3）電容式傳感器電容式傳感器 （位移傳感器位移傳感器）（4）霍爾元件霍爾元件 （磁傳感器磁傳感器）非電學(xué)量非電學(xué)量敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路電學(xué)量電學(xué)量非電學(xué)量非電學(xué)量 電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。電學(xué)量

9、，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。例例1.1.如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R R1 1為光敏電阻，為光敏電阻，R R2 2為定值電阻此光電計(jì)數(shù)器的基本為定值電阻此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是（工作原理是（ ）A A當(dāng)有光照射當(dāng)有光照射 R R1 1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓B B當(dāng)有光照射當(dāng)有光照射R R1 1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓C C信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次D D信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就記數(shù)一次AC

10、 例例2. 有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件分別接入如圖所示電路中分別接入如圖所示電路中A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說住元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說法正確的是（法正確的是（ ）ABA.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻件一定是熱敏電阻B.置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻一定是定值電阻C.用黑紙包住與不用黑

11、紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻只元件一定是光敏電阻D.用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元用黑紙包住與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻件一定是定值電阻答案答案 AC待測(cè)壓力待測(cè)壓力F固定電極固定電極膜片電極膜片電極例例3傳感器是一種采集信號(hào)的重要器件，如圖是傳感器是一種采集信號(hào)的重要器件，如圖是一種測(cè)定壓力的電容式傳感器，當(dāng)待測(cè)壓力一種測(cè)定壓力的電容式傳感器，當(dāng)待測(cè)壓力F作用作用于可動(dòng)膜片產(chǎn)生變形，引起電容的變化，若將電于可動(dòng)膜片產(chǎn)生變形，引起電容的變化，若將電容

12、器、靈敏電流計(jì)和電源串聯(lián)接成閉合電路，那容器、靈敏電流計(jì)和電源串聯(lián)接成閉合電路，那么（么（ ）A當(dāng)當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將減小向上壓膜片電極時(shí)，電容將減小B當(dāng)當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將增大向上壓膜片電極時(shí)，電容將增大C若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化發(fā)生變化D若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化不發(fā)生變化 BC 例例4.4.如圖所示，有電流如圖所示，有電流I I流過長方體金屬塊，金流過長方體金屬塊，金屬塊寬度為屬塊寬度為d d，高為，高為b b，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B的的勻強(qiáng)磁場垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內(nèi)勻強(qiáng)磁場垂直于紙面

13、向里，金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為的自由電子數(shù)為n n，試問金屬塊上、下表面哪，試問金屬塊上、下表面哪面電勢(shì)高？電勢(shì)差是多少？面電勢(shì)高？電勢(shì)差是多少？ 下表面下表面nedIBU 例例6.如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示如圖是一火警報(bào)警的一部分電路示意圖。其中意圖。其中R2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表為值班室的顯示器，的傳感器，電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報(bào)警器。當(dāng)傳感器之間接報(bào)警器。當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流火情時(shí)，顯示器的電流I、報(bào)警器兩端的、報(bào)警器兩端的電壓電壓U的變化情況是（的變化情況是（ ）A.I 變大，變大，U 變大變大 B.I 變小，變小，U 變小變小 C.I 變小，變小，U 變大變大 D.I 變大，變大，U 變小變小 R1R2R3AabErB解析解析：當(dāng)：當(dāng)R2處出現(xiàn)火情時(shí)，該處溫度升高。處出現(xiàn)火情時(shí)，該處溫度升高。 R2 為熱敏電阻，其