PAGE8-第一節(jié)相識傳感器其次節(jié)傳感器的原理[學習目標]1.了解傳感器的概念，知道非電學量轉換成電學量的技術意義．(重點)2.了解傳感器的基本結構及各部分的作用.3.知道光敏電阻、熱敏電阻的工作原理，感悟基礎學問學習和應用的重要性．(重點)4.通過試驗視察和分析，了解傳感器的工作原理．(難點)一、傳感器及其分類1．定義：能感受規(guī)定的被測量，并依據(jù)肯定的規(guī)律轉換成電信號的器件或裝置．2．傳感器的組成：傳感器一般由敏感元件、轉換元件和轉換電路三部分組成．(1)敏感元件：相當于人的感覺器官，是傳感器的核心部分，是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的．(2)轉換元件：是傳感器中能將敏感元件輸出的、與被測物理量成肯定關系的非電信號轉換成電信號的電子元件．(3)轉換電路：是將轉換元件輸出的不易測量的電學量轉換成易于測量的電學量，如電壓、電流、頻率等．3．傳感器的分類(1)按被測量分類：加速度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、負荷傳感器、扭矩傳感器等．(2)按工作原理分類：電阻應變式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、渦流式傳感器、動圈式傳感器、磁電式傳感器、差動變壓器式傳感器等．(3)按能量傳遞方式分類：有源傳感器和無源傳感器．二、傳感器的原理1．溫度傳感器的原理(1)溫度傳感器：將溫度改變轉換為電學量改變的裝置，它通過測量傳感器元件的電學量隨溫度改變來實現(xiàn)對溫度的測量．(2)熱敏電阻：利用半導體材料的阻值隨溫度改變而改變的特性實現(xiàn)溫度測量的，其電阻大小與溫度凹凸有關，溫度改變，電阻有明顯改變．2．光電傳感器的原理(1)光電傳感器：將光學量改變轉化為電學量改變的裝置．(2)應用：路燈光電自動開關電路和紅外樓道照明開關電路．(3)光敏電阻：光電傳感器的敏感元件，其阻值隨光照的增加而減?。?．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)傳感器是一種聯(lián)絡傳遞感性的設備．(×)(2)傳感器是一種感知、探測物理量的工具．(×)(3)傳感器是將被測量的非電學量轉換成電學量的器件或裝置．(√)(4)光敏電阻受到的光照越強，電阻越?。?√)(5)熱敏電阻肯定是隨溫度的上升，其阻值增大．(×)2．關于傳感器，下列說法不正確的是()A．傳感器通常是將非電學量轉化為電學量的裝置B．壓力傳感器是將力學量轉化為電學量的裝置C．全部傳感器都是由半導體材料制成的D．傳感器廣泛應用于信息采集系統(tǒng)C[傳感器通常是通過非電學量轉換成電學量來傳遞信息的，A正確；壓力傳感器是將力學量轉化為電學量的裝置，B正確；用來制作傳感器的材料有半導體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機材料等，傳感器廣泛應用于信息采集系統(tǒng)，故C錯誤，D正確．]3．美國科學家WillardS．Boyle與GeorgeE．Smith因電荷耦合器件(CCD)的重要獨創(chuàng)榮獲2009年度諾貝爾物理學獎．CCD是將光學量轉變成電學量的傳感器．下列器件可作為傳感器的有()A．發(fā)光二極管 B．熱敏電阻C．霍爾元件 D．干電池BC[傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并能把它們依據(jù)肯定的規(guī)律轉換為電壓、電流等電學量的元件．發(fā)光二極管是將電能轉化為光能的元件，不是傳感器，選項A錯誤；熱敏電阻的溫度改變時，其電阻會發(fā)生改變，能把熱學量轉換成電學量，可作為傳感器，選項B正確；霍爾元件能夠把磁感應強度這個非電學量轉換成電壓這個電學量，可作為傳感器，選項C正確；干電池是一種電源，不是傳感器，選項D錯誤．],傳感器的應用及其工作原理的理解1.傳感器的工作流程eq\x(\a\al(非電,學量))eq\x(\a\al(敏感,元件))eq\x(\a\al(轉換,元件))eq\x(\a\al(轉換,電路))eq\x(電學量)2．幾種常用傳感器對比傳感器名稱輸入(感受)的物理量或化學量輸出的物理量可能的工作原理氣體壓強傳感器壓強電壓(電流)力電轉換硅光電池光電壓光電效應光電二極管光電壓光電效應濕敏電阻濕度電壓(電阻)感濕材料受濕電阻改變話筒聲音電流電磁感應加速度傳感器加速度電壓電磁感應【例1】關于傳感器工作的一般流程，下列說法中正確的是()A．非電學量→敏感元件→轉換電路→電學量→轉換元件B．電學量→敏感元件→轉換電路→轉換元件→非電學量C．非電學量→敏感元件→轉換元件→轉換電路→電學量D．非電學量→轉換電路→轉換元件→敏感元件→電學量C[傳感器工作的一般流程為非電學量eq\o(→,\s\up7(被))敏感元件eq\o(→,\s\up15(感知，然后通過))轉換元件eq\o(→,\s\up15(轉換成電信號，再通過))轉換電路eq\o(→,\s\up15(將此信號轉換成易于傳輸或測量的))電學量，因此A、B、D錯，C對．](1)不同的傳感器的工作原理不同，但都是通過敏感元件把非電學量的改變轉變?yōu)殡妼W量的改變．(2)傳感器輸出的電學量可能為電流、電壓、電路通斷等，不肯定是電壓．(3)敏感元件只是傳感器的一個關鍵部分，并不肯定就是一個完整的傳感器．訓練角度1傳感器的相識1．(多選)關于傳感器的作用，下列說法正確的是()A．通常的傳感器可以干脆用來進行自動限制B．傳感器可以用來采集信息C．傳感器可以將感受到的一些信息轉換為電學量D．傳感器可以將全部感受到的信息都轉換為電學量BC[傳感器的作用主要是用來采集信息并將采集到的信息轉換成便于測量的量；但并不是將其感受到的全部信息都轉換為電學量．故B、C正確．]訓練角度2非電學量與電學量的轉換2．已知磁敏電阻在沒有磁場時電阻很小，有磁場時電阻變大，并且磁場越強阻值越大．為探測磁場的有無，利用磁敏電阻作為傳感器設計了如圖所示的電路，電源的電動勢E和內阻r不變，在沒有磁場時調整變阻器R使電燈L正常發(fā)光，若探測裝置從無磁場區(qū)進入強磁場區(qū)．則()A．電燈L變暗 B．電燈L亮度不變C．電流表的示數(shù)增大 D．電流表的示數(shù)減小D[探測裝置從無磁場區(qū)進入強磁場區(qū)，磁敏電阻阻值變大，則閉合電路的總電阻R總變大，由閉合電路歐姆定律知，電路中的電流I＝eq\f(E,R總)減小，電流表的示數(shù)減小，故選項C錯誤，D正確；由U燈＝E－Ir可知U燈變大，電燈L變亮，故選項A、B錯誤．],對光敏電阻、熱敏電阻的理解1.光電傳感器——光敏電阻光敏電阻一般為半導體材料做成，當半導體材料受到光照時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，于是導電性能明顯增加．光敏電阻把光照的強弱轉換為電阻大?。?．溫度傳感器——熱敏電阻和金屬熱電阻(1)熱敏電阻指用半導體材料制成，其電阻值隨溫度改變發(fā)生明顯改變的電阻．如圖所示為某熱敏電阻的電阻——溫度特性曲線．熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負溫度系數(shù)的熱敏電阻，正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度上升，電阻增大；負溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度上升，電阻減?。?2)金屬熱電阻有些金屬的電阻率隨溫度的上升而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為金屬熱電阻．熱敏電阻或金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量，但相比而言，金屬熱電阻的化學穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好．【例2】溫度傳感器廣泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家電產品中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度的改變而改變的特性工作的．如圖甲中，電源的電動勢E＝9.0V，內電阻可忽視不計；G為靈敏電流表，內阻Rg保持不變；R為熱敏電阻，其電阻值與溫度的改變關系如圖乙的R-t圖線所示，閉合開關，當R的溫度等于120℃時，電流表示數(shù)I1＝3mA，求：甲乙(1)電流表G的內阻Rg；(2)當電流表的示數(shù)I2＝1.8mA時，熱敏電阻R的溫度．[解析](1)由圖乙知熱敏電阻R的溫度在120℃時，電阻為2kΩ，閉合電路的電流為I1＝3mA依據(jù)閉合電路歐姆定律得：Rg＝eq\f(E,I1)－R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,3×10－3)－2×103))Ω＝1000Ω.(2)當電流表的示數(shù)I2＝1.8mA時R＝eq\f(E,I2)－Rg＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,1.8×10－3)－1×103))Ω＝4000Ω由圖乙可知當熱敏電阻R阻值為4000Ω時的溫度為20℃.[答案](1)1000Ω(2)20℃電路中涉及熱敏電阻、光敏電阻或金屬熱電阻時，熟記各種電阻阻值隨溫度改變的特點，然后依據(jù)動態(tài)電路問題的分析思路，由部分到整體再到部分進行分析．訓練角度1含光敏電阻的電路分析3．(多選)如圖所示是利用硫化鎘制成的光敏電阻自動計數(shù)的示意圖，其中A是發(fā)光儀器，B是光敏電阻(光照時電阻會變小)，下列說法中正確的是()A．當傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小B．當傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大C．當傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變小，電壓表讀數(shù)變小D．當傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電壓表讀數(shù)變大AD[光敏電阻的阻值與光照強度有關，光照強度越大，光敏電阻阻值越小，當傳送帶上沒有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻阻值變小，電路中電流變大，電源內阻上的電壓變大，路端電壓變小，所以電壓表讀數(shù)變小，選項A正確，相反，當傳送帶上有物品攔住由A射向B的光信號時，光敏電阻的阻值變大，電路中電流變小，電源內阻上的電壓變小，路端電壓變大，所以電壓表讀數(shù)變大，選項D正確．]訓練角度2熱敏電阻與金屬熱電阻的比較4．如圖所示是視察電阻值隨溫度改變狀況的示意圖．現(xiàn)把杯中的水由冷水變?yōu)闊崴?，關于歐姆表的讀數(shù)改變狀況正確的是(設水對電阻阻值的影響不計)()A．假如R為金屬熱電阻，讀數(shù)變大，且改變特別明顯B．假如R為金屬熱電阻，讀數(shù)變小，且改變不明顯C．假如R為用半導體材料制成的熱敏電阻，讀數(shù)改變特別明顯D．假如R為用半導體材料制成的熱敏電阻，讀數(shù)改變不明顯C[金屬熱電阻的阻值隨溫度的上升而增大，但靈敏度較差，而熱敏電阻的阻值隨溫度的上升而減小，且靈敏度高，故選項C正確．]訓練角度3霍爾元件問題5．一種半導體材料稱為“霍爾材料”，用它制成的元件稱為“霍爾元件”，這種材料有可定向移動的電荷，稱為“載流子”，每個載流子的電荷量大小為1個元電荷量，即q＝1.6×10－19C，霍爾元件在自動檢測、限制領域得到廣泛應用，如錄像機中用來測量錄像磁鼓的轉速、電梯中用來檢測電梯門是否關閉以及自動限制升降電動機的電源的通斷等．在一次試驗中，一塊霍爾材料制成的薄片寬AB＝1.0×10－2m、長BC＝4.0×10－2m、厚h＝1×10－3m，水平放置在豎直方向上的磁感應強度B＝1.5T的勻強磁場中，BC方向通有I＝(1)假定載流子是電子，A、B兩端中哪端電勢較高？(2)薄板中形成電流I的載流子定向運動的速率多大？[解析](1)依據(jù)左手定則可確定A端電勢高．(2)當霍爾元件內由于載流子有沿電流方向所在的直線定向運動時，受洛倫茲力作用而產生橫向分運動，產生橫向電場，橫向電場的電場力與洛倫茲力平衡時，霍爾元件橫向電壓穩(wěn)定．設載流子沿電流方向所在直線定向移動的速率為v，橫向電壓為UAB，橫向電場強度為E，電場力為Fe＝E·e＝eq\f(UAB,AB)·e洛倫茲力FB＝evB平衡時eq\f(UAB,AB)·e＝evB得v＝eq\f(UAB,AB·B)≈6.7×10－4m/s.[答案](1)A端(2)6.7×10－4m課堂小結知識脈絡1.傳感器依據(jù)肯定的規(guī)律把非電學量轉化為電學量，可以很便利地進行測量、傳輸、處理和限制．2．光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量．3．熱敏電阻和金屬熱電阻能把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量．4．霍爾元件是一種能將磁感應強這一磁學量轉換成電壓這一電學量的傳感器.1．(多選)下列說法正確的是()A．干簧管是一種由磁場限制的開關B．樓道里的燈只有天黑時出現(xiàn)聲音才亮，說明它的限制電路中只有聲傳感器C．光敏電阻能夠把光信號轉換成電信號D．負溫度系數(shù)的熱敏電阻在溫度上升時電阻減小ACD[傳感器是指將非電學量依據(jù)肯定規(guī)律轉換成電學量的元件，干簧管是在玻璃管內封入了兩個軟磁性材料制成的簧片，當有磁場靠近時，兩個簧片被磁化而接通，起到了開關的作用，故選項A正確；樓道里的燈只有天黑時出現(xiàn)聲音才亮說明白在它的限制電路中既有光傳感器又有聲傳感器，故選項B錯誤；光敏電阻是用電阻率與光照強度有關的材料制成的，當其被光照耀時，電阻將發(fā)生改變，故選項C正確；用半導體材料制作的熱敏電阻，在溫度上升時，導電實力增加，即電阻減小，故選項D正確．]2．傳感器的種類多種多樣，其性能也各不相同，空調機在室內溫度達到設定的溫度后，會自動停止工作，空調機內運用的傳感器是()A．生物傳感器 B．紅外傳感器C．溫