《山东省冠县武训高级中学高三物理复习课件：103传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《山东省冠县武训高级中学高三物理复习课件：103传感器（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、10.3 10.3 传感器的原理及应用传感器的原理及应用zxxk 高三总复习高三总复习 选修选修3-23-2 传感感器器是是指指这样一一类元元件件：它它能能够感感受受诸如如位位移移、速速度度、力力、磁磁感感应应强强度度、温温度度、光光、声声、化化学学成成分分等等非非电学学量量，并并能能把把它它们按按照照一一定定的的规律律转换为电压、电流流、电电阻阻、电电容容等等电电学学量量，或或转换为电路路的的通通断断的的元元器件器件一、传感器的概念一、传感器的概念 把非把非电学量学量转换为电学量以后，就可以很方便地学量以后，就可以很方便地进行行测量、量、传输、处理和控制了理和控制了 非非电电学学量量 电电学
2、学量量 传传感感器器 光光敏敏电阻阻能能够把把光光照照强强弱弱这个个非非电电学学量量转换为电阻电阻这个个电学量学量 Zxxk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，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
3、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，用金属丝可以制作，用金属丝可以制作温度温度传感器，称为传感器，称为热电阻热电阻 热敏
4、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121.1.1.1.金属导线；金属导线；金属导线；金属导线；2.2.2.2.热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 电阻电阻电阻电阻温度特性图线温度特性图线温度特性图线温度特性图线RTSi+ + + + + + + + +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+ + + +
6、 + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +Si+ + + + +- - - - - - - - - - - - - - -例例2：如图是一火警报警的一部分电路示意：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
7、是（的变化情况是（ ） zxxkA.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 一个霍尔元件的一个霍尔元件的d、k为定值，再保持为定值，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。 Zxxk磁感应强度磁感应强度电压电压NMFBEIUHFBFEFB=FEdL3、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。
8、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，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
9、，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 ） 普普通通干干簧簧管管有有两两个个簧簧片片，是是用用有有弹性性的的软软磁磁性性材材料料制制成成的的，它它们密密封封在在玻玻璃璃管管中中，成成为一一组常常开开型型触触点点管管中充入惰性气体来防止触点被氧化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 双双金金属属片片巧巧妙妙地地利利用用了了不不同同金金属属热膨膨胀的的差差异异把把膨膨胀系系数数不不
10、同同的的两两种种金金属属片片黏黏合合在在一一起起，常常温温下下是是直直的的，当当加加热时，由由于于两两种种金金属属的的膨膨胀程程度度不不同同，双双金金属属片片就就会会向向膨膨胀程度程度小小的金属片那一的金属片那一侧弯曲弯曲6 6双金属片：双金属片：铜的铜的膨胀系数大于铁膨胀系数大于铁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，下部金属膨胀双金属片受热膨胀系数不同，
11、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，停止小，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，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，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
12、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烧结而成. .(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，
13、用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态。手松开后，按钮不再恢复到图示状态。（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
14、, ,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
15、）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传传感感器器是是一一种种采采集集信信号号的的重重要要器器件件，如如图图是是一一种种测测定定压压力力的的电电容容式式传传感感器器，当当待待测测压压力力F作作用用于于可可动动膜膜片片产产生生变变形形，引引起起电电容容的的变变化化，若若将将电电容容器器、灵灵敏敏电电流流计计和和电电源源串串联接成闭合电路，那么（联接成闭合
16、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 当当声声波波使使金金属属膜膜片片振振动时，连接接在在膜膜片片上上的的线圈圈(叫叫音音圈圈)随着一起振随着一起振动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
17、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，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 当当声声波波使使膜膜片片振振动时，电容容发生生变化化，电路路中中形形成成变化化的的电流流，于于是是电阻阻R R两两端端就就输出出了了与与声声音音变化化规律相同的律相同的电压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，
18、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
19、，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 如如图，是是用用发光光二二极极管管(LED)(LED)模模仿仿路路灯灯的的光光控控电路路，R Rg g为光光敏敏电阻阻，R R1 1是是变阻阻器器，斯斯密密特特触触发器器是是具具有有特特殊殊功能的功能的非非门 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 天天色色较亮亮时，光光敏敏电阻阻Rg的的阻阻值较小小，输入入端端A电平平较低低，输出出端端Y电平平较高高，路路灯灯不不亮亮；当当天
20、天色色较暗暗时，光光敏敏电阻阻Rg的的阻阻值较大大，输入入端端A电平平较高高，输出出端端Y电平平较低，路灯低，路灯发光光 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 当当线线圈圈 A中中通通过过较较大大电电流流时时，铁铁芯芯中中产产生生较较大大磁磁场场，吸吸引引衔衔铁铁B向向下下运运动动，从从而而带带动动动动触触点点D向向下下与与E接接触触，将将工工作作电电路路接接通通，当当线线圈圈A中中电电流流较较小小时时，电电磁磁铁铁磁磁性性较较小小，衔衔铁铁B
21、在在弹弹簧簧作作用用下下拉拉起起，带带动动触触点点D与与E分分离离，自自动动切切断断工工作作电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A
22、 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处于低
23、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：原
24、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，即温度越高逻辑电路逻辑电路逻辑电路逻辑电路 A AB BZ Z结果结果结果结果结果结果条件条件条件条件 “与与与与” ”逻辑关系逻辑关系逻辑关系逻辑关系结果结果结果结果 “或或或或” ”逻辑关系逻辑关系逻辑关系逻辑关系结果结果条件条件条件条件A AB BZ ZA A“非非非非” ”逻辑关系逻辑关系逻辑关系逻辑关系结果结果结果结果Z Z条件条件条件条件真值表真值表真值表真值表 与与与与门门门门 或或或或门门门门 非门非门非门非门 符号符号符号符
25、号 A AY Y1 1A AY YB B&A AY YB B 1 1例例4 4：如如图所所示示，图( (甲甲) )为热敏敏电阻阻的的R Rt t图象象，图为用用此此热敏敏电阻阻R R和和继电器器组成成的的一一个个简单恒恒温温箱箱电路路，继电器器线圈圈的的电阻阻为150.150.当当线线圈圈中中的的电电流流大大于于或或等等于于20mA20mA时时，继继电电器器的的衔衔铁铁被被吸吸合合为为继继电电器器线线圈圈供供电电的的电电池池电电动动势势E E6V6V，内内阻阻可可以以不不计计图图中中“电电源源”是是恒恒温温箱箱加加热热器器的的电电源源(1)(1)应应该该把把恒恒温温箱箱内内的的加加热热器器接接
26、在在A A、B B端端还还是是C C、D D端端？(2)(2)如如果果要要使使恒恒温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5 5、如如图图所所示示为为一一种种测测定定风风作作用用力力的的仪仪器器原原理理图图，图图中中P P为为金金属属球球，悬悬挂挂在在一一细细长长裸裸金金属属丝丝下下面面，O O是是悬
27、悬挂挂点点，R R0 0是是保保护护电电阻阻，CDCD是是水水平平放放置置的的光光滑滑电电阻阻丝丝，与与悬悬挂挂小小球球的的细细金金属属丝丝始始终终保保持持良良好好接接触触，无无风风时时细细金金属属丝丝与与电电阻阻丝丝在在C C点点接接触触，此此时时电电路路中中的的电电流流为为I I， 有有风时细金金属属丝将将偏偏转一一角角度度(与与风力力大大小小有有关关) )，细金金属属丝与与电阻阻丝在在B B点点接接触触，已已知知风力力方方向向水水平平向向左左，OCOCh h，CDCDL L，球球的的质量量为M M，电阻阻丝单位位长度度的的电阻阻为k k，电源源内内电阻阻和和细金金属属丝电阻阻均均不不计，
28、金金属属丝偏偏转角角时，电流流表表的的示示数数为II，此此时风力力大大小小为F F，试写写出出：(1)(1)风力力大大小小F F与与的的关关系系式式；(2)(2)风力力大大小小F F与与电流流表表示示数数II的的关关系系式式(3)(3)此此装装置置所所测定的最大定的最大风力是多少？力是多少？例例6 6：用用电流流传感感器器可可以以清清楚楚地地演演示示一一些些电学学元元件件对电路路中中电流流的的影影响响，如如图所所示示，在在ABAB间分分别接接入入电容容器器、电感感线圈圈、定定值电阻阻闭合合开开关关时，计算算机机显示示的的电流流随随时间变化化的的图像像分分别如如图a a、b b、c c所示，所示，则下列判断中正确的是下列判断中正确的是( )( )AAB间接入定接入定值电阻阻显示示图像像aBAB间接入接入电容器容器显示示图像像bCAB间接入接入电感感线圈圈显示示图像像cDAB间接入接入电感感线圈圈显示示图像像bD
