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1、传传感感器器及及其其工工作作原原理理.一、课题的引入一、课题的引入【演示实验演示实验1】干簧管控制电路的通断干簧管控制电路的通断如图如图,小盒子小盒子A的侧面露出一个小灯泡的侧面露出一个小灯泡,盒外盒外没有开关没有开关,但是把磁铁但是把磁铁B放到盒子上面放到盒子上面,灯泡就会发光灯泡就会发光,把磁铁移走把磁铁移走,灯泡熄灭灯泡熄灭. 盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？ABSN探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧探明原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时片。当磁铁靠近干簧管时,两个簧片被磁化而接通两个簧片被磁化而接通,
2、电路导通电路导通.所以所以,干簧管能起到开关的作用干簧管能起到开关的作用.SN打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图，了解元件解元件“干簧管干簧管”的结构。的结构。这个装置反过来还可以让我们通这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。周围是否存在着磁场。.二、什么是传感器？二、什么是传感器？刚才的实验，都用了一种元件，这些元件能够感刚才的实验，都用了一种元件，这些元件能够感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制受某些信息，通过它能实现电路的自动控制,这这种元件有一个专门的名称：传感器。种元件
3、有一个专门的名称：传感器。 什么是传感器呢？什么是传感器呢？它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。把这种元件叫做传感器。 它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。.当冰箱内的温度高于设定值时，制冷系统自动当冰箱内的温度高于设定值时，制冷
4、系统自动启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自启动，而当温度低于设定值时，制冷系统又会自动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的动停止。冰箱的控制，是通过温度传感器实现的.楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光传感器。是声光传感器。为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上为了防止火灾的发生，在宾馆房间的天花板上大多有一个小盒子，当房间失火时它能感知出现大多有一个小盒子，当房间
5、失火时它能感知出现的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟的烟雾，通过电路发出警报，这个小盒子就是烟雾传感器。雾传感器。传感器在日常生活中的使用：传感器在日常生活中的使用：.其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感其他如宾馆洗手间的墙壁上干手机的湿度传感器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温器、电视机里换频道的红外传感器、电饭锅的温控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员控开关、养鸡场里的孵化器、交警用来测驾驶员是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里是否酒后开车的酒精气体测试仪、磁悬浮列车里的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、的加速度测试器、电容式话筒里的电容式传感器、自动
6、洗衣机里的压力传感器等等自动洗衣机里的压力传感器等等. 可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，可以说，传感器的广泛使用，丰富了我们的生活，使我们的生活更加方便、安全和舒适。使我们的生活更加方便、安全和舒适。图图6.1-3 各种传感器各种传感器各种温度传感器各种温度传感器力传感器力传感器色标传感器色标传感器传感器传感器.三、光敏电阻三、光敏电阻有一些物质有一些物质,例如硫化镉例如硫化镉,电阻率与所受光照的强电阻率与所受光照的强度有关。把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再度有关。把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极(图图6.4)，图
7、图6.1-4 光敏电阻光敏电阻 这样就制成了一个光敏电阻。这样就制成了一个光敏电阻。硫化镉表面受到的光照强度硫化镉表面受到的光照强度不同时，两个电极间的电阻不同时，两个电极间的电阻也不一样。也不一样。.【演示实验演示实验3】比较光敏电阻在不同光照条件下比较光敏电阻在不同光照条件下的电阻之不同的电阻之不同用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量用万用电表（由投影仪投出表盘）的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的一只光敏电阻的阻值，实验分别在室内自然光的照射下和用手掌遮光时进行。照射下和用手掌遮光时进行。 光敏电阻在暗环境下电阻值很大，光敏电阻在暗环境下电阻值很大，实验结果：实验
8、结果： 强光照射下电阻值很小。强光照射下电阻值很小。.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。这个电学量。光敏电阻是由硫化镉制成的，硫化镉是一种半光敏电阻是由硫化镉制成的，硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。变好。光敏电阻在光照射下电阻变化的原因光敏电阻在光照射下电阻变化的原因:光敏电阻光敏电阻.四金属热电阻和热敏电阻四金属热电阻和热敏电阻金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？金属导体的导电性
9、能与温度有关吗？关系如何？金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。得多。用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻用金属丝可以制作温度传感器，称为金属热电阻.如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。度计。 .【演示实验演示实验4】热敏电阻随温度的升高电阻减小热敏电阻随温度的升高电阻减小用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测一次
10、直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。量，记录两次测得的电阻值。热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。温度变化非常明显。电阻电阻R随温度变化的图线随温度变化的图线RTO电阻电阻-温度特性曲线温度特性曲线热敏电阻热敏电阻金属导线金属导线半导体热敏电阻也可以用作半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。温度传感器。 金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。性
11、好，测温范围大，但灵敏度较差。 .五、霍尔元件五、霍尔元件1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。用霍尔效应做成了霍尔元件。图图6.1-9 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理BMNEFIUH.
12、如图如图,霍尔元件是在一个很小的矩形半导体霍尔元件是在一个很小的矩形半导体( 例如例如砷化铟砷化铟)薄片上，制作薄片上，制作4个电极个电极E、F、M、N而成而成.若在若在E、F间通入恒定的电流间通入恒定的电流I，同时外加与薄片，同时外加与薄片垂直的匀强磁场垂直的匀强磁场B, 薄片中的载流子就在洛伦兹力薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转的作用下发生偏转, 使使M、N间出现电压间出现电压UH。式中式中d为薄片的厚度，为薄片的厚度，k为霍尔系数，它的大小与为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。薄片的材料有关。这个电压叫霍尔电压，其决定式为这个电压叫霍尔电压，其决定式为图图6.1-10BMNE
13、FIUH.由上式看，一个霍尔元件的厚度由上式看，一个霍尔元件的厚度d、k为定值，为定值，若保持若保持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。也就是说：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学也就是说：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。因此，我们可以把霍量转换为电压这个电学量。因此，我们可以把霍尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔尔元件放置在某一未知的磁场中，通过测定霍尔电压电压U的变化得知该磁场磁感应强度的变化。的变化得知该磁场磁感应强度的变化。霍尔元件霍尔元件.推导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系推导霍尔元件的电压与磁感应强度的关系已知：假设霍尔元件中
14、形成电流的是正电荷已知：假设霍尔元件中形成电流的是正电荷, 霍霍尔元件厚度为尔元件厚度为d. 宽度为宽度为l，通入的电流为，通入的电流为I. 单位单位体积内正电荷的个数为体积内正电荷的个数为n，正电荷的带电量为，正电荷的带电量为q.BMNEFIUH.令令 得：得： 式中的式中的d为薄片的宽度，为薄片的宽度，k为霍尔系数，它的大为霍尔系数，它的大小与制作材料有关。由式子可以看出如果保证小与制作材料有关。由式子可以看出如果保证k、d、I 恒定，则霍尔电压恒定，则霍尔电压U的变化就与的变化就与B成正成正比。比。.如图所示，将多用表的选择开关置于如图所示，将多用表的选择开关置于“欧姆欧姆”挡，挡，再将
15、电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻 Rt（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而（负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指减小的热敏电阻）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间若往在刻度盘的正中间若往Rt上擦一些酒精，表针上擦一些酒精，表针将向将向_（填（填“左左”或或“右右”）移动；）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向将向_（填（填“左左”或或“右右”）移动。）移动。右右左左Rt欧姆表欧姆表解见下页解见下页.若往若往Rt 上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热上擦一些酒精，由
16、于酒精蒸发吸热,热热敏电阻敏电阻Rt 温度降低，电阻值增大，所以电流减温度降低，电阻值增大，所以电流减小小,指针应向左偏；指针应向左偏；解析：解析：用吹风机将热风吹向电阻，电阻用吹风机将热风吹向电阻，电阻Rt 温度升高，温度升高，电阻值减小，电流增大，指针向右偏电阻值减小，电流增大，指针向右偏.1关于光敏电阻，下列说法正确的是（关于光敏电阻，下列说法正确的是（ ）A光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量为电阻这个电学量B硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好载流子极少，导电性能不好C硫化
17、镉是一种半导体材料，无光照射时，硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子较少，导电性能良好载流子较少，导电性能良好D半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，半导体材料的硫化镉，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好载流子增多，导电性能变好ABD.2为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感为解决楼道的照明，在楼道内安装一个传感器与电灯控制电路相接。当楼道内有走动而发器与电灯控制电路相接。当楼道内有走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器为感器为 传感器，它输入的是传感器，它输入的是 信号，信号，经传感器转换后，输出的是经传感器转换后，输出的是 信号。信号。电电声电声电声音声音.3霍尔元件能转换哪两个量（霍尔元件能转换哪两个量（ ）A.把温度这个热学量转换为电阻这个电学量把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B.把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量量C.把力转换为电压这个电学量把力转换为电压这个电学量D.把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量B.
