山东省冠县武训高级中学2013届高三物理总复习 103 传感器课件

1、10.3 10.3 传感器的原理及应用传感器的原理及应用高三总复习高三总复习 选修选修3-23-2 传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如位移、速位移、速度、度、力、力、磁感应强度、磁感应强度、温度、光、声、化学成分等温度、光、声、化学成分等非电非电学学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流、量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流、电阻、电容电阻、电容等等电学电学量，或转换为电路的量，或转换为电路的通断通断的元的元器件器件一、传感器的概念一、传感器的概念 把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进

2、行测量、传输、处理和控制了测量、传输、处理和控制了 非电学量非电学量 电学量电学量 传感器传感器 光敏电阻能够把光照强弱这个光敏电阻能够把光照强弱这个非电学非电学量转换为量转换为电阻电阻这个电学量这个电学量二、常用传感器元器件工作原理二、常用传感器元器件工作原理1 1光敏电阻：光敏电阻：光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，光敏电阻的材料是一种半导体，无光照时，载流子载流子少少，导电性能，导电性能差差；随着光照的增强，载流；随着光照的增强，载流子子增多增多，导电性变，导电性变 好好 例例1.如图所示，如图所示，R1、R2为定值电阻，为定值电阻，L是小灯泡，是小灯泡，R3为光敏电阻，为光敏电阻，

3、当照射光强度增大时，（当照射光强度增大时，（ ） 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率增大 D电路的路端电压增大电路的路端电压增大ABC金属热电阻：金属热电阻： 规律：规律：电阻随温度的升高而增大。电阻随温度的升高而增大。热敏电阻（半导体）：热敏电阻（半导体）： 规律：规律：电阻随温度的升高而减小。电阻随温度的升高而减小。 与热敏电阻相比，与热敏电阻相比，金属热电阻化学稳定金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，性好，测温范围大，但灵敏度不高但灵敏度不高2、热敏电阻、热敏电阻 金属的电阻率随温度的升高而金属的电阻率随温度的升高而增大增大，用

4、金属丝可以制，用金属丝可以制作作温度温度传感器，称为传感器，称为热电阻热电阻 热敏电阻或金属热电阻能够把热敏电阻或金属热电阻能够把温度温度这个热学量转换这个热学量转换为为电阻电阻这个电学量这个电学量12RTSi+ + + + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + + + + + +Si+ + + + + + +Si+

5、 + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +例例2：如图是一火警报警的一部分电

6、路示意：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中图。其中R2为用半导体热敏材料制成的传为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，感器，电流表为值班室的显示器，a、b之之间接报警器。当传感器间接报警器。当传感器R2所在处出现火情所在处出现火情时，显示器的电流时，显示器的电流I、报警器两端的电压、报警器两端的电压U的变化情况是（的变化情况是（ ）A.I 变大，变大，U 变大变大 B.I 变小，变小，U 变小变小 C.I 变小，变小，U 变大变大 D.I 变大，变大，U 变小变小 R1R2R3AabErB霍尔电压霍尔电压dIBkUH 一个霍尔元件的一个霍尔元件的d、k为定值，再保持为定

7、值，再保持I恒定，则恒定，则UH的变化就与的变化就与B成正比。成正比。磁感应强度磁感应强度电压电压NMFBEIUHFBFEFB=FEHLUBqvq 即即HLUBvInqvdL 又又HBIUnqddL1Knq 令令3、霍尔元件、霍尔元件力力电阻变化电阻变化 电压电压4、力电传感器的应用、力电传感器的应用电子秤电子秤原理分析原理分析： U U1 1U U2 2 应变片是一种敏感元件，现多由半导体元件制成。应变片是一种敏感元件，现多由半导体元件制成。自由端施力自由端施力F，上表面拉伸，电阻变大，两端电压大。，上表面拉伸，电阻变大，两端电压大。下表面压缩，电阻变小，两端电压变小。力下表面压缩，电阻变小

8、，两端电压变小。力F越大，输越大，输出电压差越大。出电压差越大。例例3 3：关于：关于电子秤电子秤中中应变式力传感器应变式力传感器的说法的说法: :正确的是正确的是A.A.应变片是由多用半导体材料制成应变片是由多用半导体材料制成B.B.当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之，变小C.C.传感器输出的是应变片上的电压传感器输出的是应变片上的电压D.D.外力越大，输出的电压差值也越大外力越大，输出的电压差值也越大（ A B D A B D ） 普通干簧管有两个簧片，是用有弹性的普通干簧管有两个簧片，是用有弹性的软磁性软磁性材材料制成的，它们密封在玻璃管中

9、，成为一组常料制成的，它们密封在玻璃管中，成为一组常开型触开型触点管中充入惰性气体来防止触点被氧化点管中充入惰性气体来防止触点被氧化干簧管将磁场的变化转换成电路的干簧管将磁场的变化转换成电路的通断通断5干簧管干簧管当磁体靠近当磁体靠近(按一定方位按一定方位)干簧管时，两个簧片被磁化而接通干簧管时，两个簧片被磁化而接通 双金属片巧妙地利用了不同金属热膨胀的差异把膨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，双金属片就会向加热时，由于两种金属的膨胀程度不同，双金属

10、片就会向膨胀程度膨胀程度小小的金属片那一侧弯曲的金属片那一侧弯曲6 6双金属片：双金属片：铜的膨胀系数大于铁铜的膨胀系数大于铁6 6、双金属片温度传感器、双金属片温度传感器的作用：控制电路的通断的作用：控制电路的通断. .温度传感器的应用温度传感器的应用电熨斗电熨斗常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热温度降低后，双金属片恢

11、复原状，重新接通电路停止加热温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的 7 7感温铁氧体感温铁氧体(1)(1)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感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结

12、而成. .(2)(2)常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引。温度达到约常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引。温度达到约103103时，失去铁磁性，不能被磁体吸引。时，失去铁磁性，不能被磁体吸引。(3)(3)使感温铁氧体失去铁磁性的温度，也叫使感温铁氧体失去铁磁性的温度，也叫居里温度居里温度. .电饭锅烧饭饭熟后会自动断开，烧水水开后不能能自动断开电饭锅烧饭饭熟后会自动断开，烧水水开后不能能自动断开工作原理工作原理: : ( (1)1)开始煮饭时，用手压下开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。钮不再恢复到图示状态

13、。（2)2)水沸腾后水沸腾后, ,由于锅内保持由于锅内保持1001000 0C C不变不变, ,故感温磁体仍与永磁体相故感温磁体仍与永磁体相吸吸, ,继续加热继续加热. .故锅内大致保持故锅内大致保持1001000 0C C不变不变. . ( (3)3)饭熟后饭熟后, ,水分被大米吸收水分被大米吸收, ,锅底温度升高锅底温度升高, ,当温度升至当温度升至“居里居里点点1031030 0C C”时时, ,感温磁体失去铁磁性感温磁体失去铁磁性, ,在弹簧作用下在弹簧作用下, ,永磁体被弹永磁体被弹开开, ,触点分离触点分离, ,切断电源切断电源, ,从而停止加热从而停止加热(4)(4)如果用电饭锅

14、烧水如果用电饭锅烧水, ,水沸腾后水沸腾后, ,锅内保持锅内保持1001000 0C C不变不变, ,温度低于温度低于“居里点居里点1031030 0C”C” , ,电饭锅不能自动断电电饭锅不能自动断电. .只有水烧干后只有水烧干后, ,温度升温度升高到高到1031030 0C C才能自动断电才能自动断电. .7 7感温铁氧体感温铁氧体动片动片（1 1）测定角度）测定角度： （2 2）测定液面高度）测定液面高度h h： （3 3）测定压力）测定压力F F： （4 4）测定位移）测定位移x x： 定片定片导电液体导电液体待测压力待测压力F F固定电极固定电极可动电极可动电极极板极板极板极板电介质

15、电介质X X电介质电介质金属芯线金属芯线8、电容式传感器、电容式传感器待测压力待测压力F固定电极固定电极膜片电极膜片电极例例4传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（串联接成闭合电路，那么（ ）A当当F向上压膜片电极时，电容将减小向上压膜片电极时，电容将减小B当当F向上压膜片电极时，电容将增大向上压膜片电极时，电容将增大C若

16、电流计有示数，则压力若电流计有示数，则压力F发生变化发生变化D若电流计有示数，则压力若电流计有示数，则压力F不发生变化不发生变化 BC话筒是将声信号转换为电信号的声传感器话筒是将声信号转换为电信号的声传感器 当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈(叫音叫音圈圈)随着一起振动随着一起振动9声传感器的应用声传感器的应用动圈式话筒与电容式话筒动圈式话筒与电容式话筒工作原理工作原理 音圈在永磁铁的磁场中振动，其中就产生感应电流，感应音圈在永磁铁的磁场中振动，其中就产生感应电流，感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定，电流的大小和方向都变化，

17、振幅和频率的变化由声波决定，这就将声信号转换成电信号，这个电信号经扩音器放大后传这就将声信号转换成电信号，这个电信号经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大声音给扬声器，从扬声器中就发出放大声音 当声波使膜片振动时，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻成变化的电流，于是电阻R R两端就输出了与声音变两端就输出了与声音变化规律相同的电压化规律相同的电压9 9声传感器的应用声传感器的应用电容式话筒电容式话筒工作原理工作原理 Q Q是绝缘支架，薄是绝缘支架，薄金属膜金属膜M M和固定电极和固定电极N N形形成一个电容器，被直流成一个电容器，被直

18、流电源通电电源通电1010、光传感器的应用、光传感器的应用-烟雾散射式烟雾散射式火灾报警器火灾报警器（1）光电三极管）光电三极管是是烟雾火警报警器中的烟雾火警报警器中的光传感器光传感器 报警器带孔的罩子内装有发光二极管报警器带孔的罩子内装有发光二极管LEDLED、光电三极管和、光电三极管和不透明的挡板不透明的挡板. .平时平时, ,光电三极管收不到光电三极管收不到LEDLED发出的光发出的光, ,呈现高呈现高电阻状态电阻状态烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小与传感器连接的电路检测射到光电三极管上，其电阻变小与传感器连

19、接的电路检测出这种变化，就会发出警报出这种变化，就会发出警报 （2）工作原理）工作原理 如图，是用发光二极如图，是用发光二极管管(LED)(LED)模仿路灯的光控电模仿路灯的光控电路，路，R Rg g为光敏电阻，为光敏电阻，R R1 1是变是变阻器，斯密特触发器是具阻器，斯密特触发器是具有特殊功能的有特殊功能的非门非门 1111传感器应用电路设计传感器应用电路设计光控开关电路光控开关电路 天色较亮时，光敏电阻天色较亮时，光敏电阻Rg的阻值较小的阻值较小，输入端，输入端A电平电平较低较低，输出端，输出端Y电平较高电平较高，路灯不亮；当天色较暗时，光，路灯不亮；当天色较暗时，光敏电阻敏电阻Rg的阻

20、值较大，输入端的阻值较大，输入端A电平较高，输出端电平较高，输出端Y电平较电平较低，路灯发光低，路灯发光 若想要天色更暗时路灯才会点亮，可以将可变电阻若想要天色更暗时路灯才会点亮，可以将可变电阻R1阻值阻值调大一些调大一些光控开关电路光控开关电路控制电磁继电器的工作原理控制电磁继电器的工作原理 当线圈当线圈 A中通过较大电流时，铁芯中产生较大磁场，吸中通过较大电流时，铁芯中产生较大磁场，吸引衔铁引衔铁B向下运动，从而带动动触点向下运动，从而带动动触点D向下与向下与E接触，将工作接触，将工作电路接通，当线圈电路接通，当线圈A中电流中电流较小较小时，电磁铁时，电磁铁磁性较小磁性较小，衔铁，衔铁B在

21、弹簧作用下拉起，带动触点在弹簧作用下拉起，带动触点D与与E分离，自动切断工作电分离，自动切断工作电路路控制电路的工作原理控制电路的工作原理 天较亮时，光敏电阻天较亮时，光敏电阻R RG G阻值较小，斯密特触发器输入端阻值较小，斯密特触发器输入端A A电电势较低，则输出端势较低，则输出端Y Y输出高电平，工作电路不通；天较暗时，光输出高电平，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻敏电阻R RG G电阻增大，斯密特触发器输入端电阻增大，斯密特触发器输入端A A电势升高，当升高到电势升高，当升高到一定值，输出端一定值，输出端Y Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈

22、A A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，R RG G阻值减小，斯密特触发器输入端阻值减小，斯密特触发器输入端A A电势逐渐降低，降到一定值，电势逐渐降低，降到一定值，输出端输出端 Y Y突然由低电平跳到高电平，则线圈突然由低电平跳到高电平，则线圈A A不再有较大电流，不再有较大电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭12.12.温度报警器温度报警器工作原理工作原理 常温下，调整常温下，调整R R1 1的阻值使斯密特触发器的输入端的阻值使斯密特触发器的输入端A A处于

23、低电处于低电平，则输出端平，则输出端Y Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻声；当温度升高时，热敏电阻R RT T阻值减小，斯密特触发器输入阻值减小，斯密特触发器输入端端A A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，R Rl l的阻值不同，的阻值不同，则报警温度不同则报警温度不同 减小减小R1的阻值可的阻值可使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警原因：

24、原因：R1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高则热敏电阻阻值要求越小，即温度越高例例4 4：如图所示，图：如图所示，图( (甲甲) )为热敏电阻的为热敏电阻的R Rt t图象，图为用此图象，图为用此热敏电阻热敏电阻R R和继电器组成的一个简单恒温箱电路，继电器线圈和继电器组成的一个简单恒温箱电路，继电器线圈的电阻为的电阻为150.150.当线圈中的电流大于或等于当线圈中的电流大于或等于20mA20mA时，继电器时，继电器的衔铁被吸合为继电器线圈供电的电池电动势的衔铁被吸合为继电器线圈供电的电池电动势E E6V

25、6V，内阻，内阻可以不计图中可以不计图中“电源电源”是恒温箱加热器的电源是恒温箱加热器的电源(1)(1)应该把应该把恒温箱内的加热器接在恒温箱内的加热器接在A A、B B端还是端还是C C、D D端？端？(2)(2)如果要使恒温如果要使恒温箱内的温度保持箱内的温度保持100100，可，可变电阻变电阻R R的阻值应调节为多少？的阻值应调节为多少？ 解析：由(甲)图线知，热敏电阻R的阻值随温度升高而减小，因而电磁继电器电路中的电流增大，当电流增大到20mA时，衔铁被吸下，触点与A分离而与C接触，此时应该断开加热电路，所以加热器应接在A、B之间 (1)应将加热器接在A、B端 2( )10051.0 00JJEIRRRERRRI由图甲 查出热敏电阻在时，电阻阻值为，依据欧姆定律， ，推得注意原理和工作过程的分析是解方法点拨：题的关键5 5、如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中、如图所示为一种测定风作用力的仪器原理图，图中P P为金为金属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，属球，悬挂在一细长裸金属丝下面，O O是悬挂点，是悬挂点，R R0 0是保护电阻，是保护电阻，CDCD是水平放置的光滑电阻丝，与悬挂小球的细金属丝始终