课件38张PPT。第六章 传感器第六章 传感器第一节 传感器及其工作原理第六章 传感器学习目标
1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术
意义．
2．通过实验，知道常见敏感元件的工作原理．
3．能够结合已学的知识，分析传感器在实际中的应用
事例．一、什么是传感器
自研教材
1．定义：感受_______量，并能把它们按照一定的规律转换为____量，或转换为电路的____的一类元件．非电学电学通断成功体验
传感器的作用是什么？
提示：把非电学量转换为电学量，或转换为电路的通断．二、光敏电阻
自主探究
将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡，用手掌遮光时电阻值很大；在室内自然光的照射下，电阻值较小；用阳光直接照射下，电阻值很小．这说明了光敏电阻具有什么特点？它把什么量转换为什么量？成功发现
1．特点：电阻值随光照增强而____
2．原因分析：光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子____ ，导电性能____ ；随着光照的增强，载流子____ ，导电性能____
3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．减小．少差增多增强．三、热敏电阻和金属热电阻
自主探究
1．如图甲，将一只热敏电阻接到多用电表的两端，分别用手和冷水去改变热敏电阻的温度，用手时电阻值较小，用冷水时，电阻值较大．这说明了什么？甲 乙2．如图乙为实验测出的热敏电阻和金属热电阻的阻值－
温度特性图线，由图线分析，热敏电阻、金属热电阻有什么不同？成功体验四、霍尔元件
自研教材
1．组成：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，就成为一个霍尔元件．成功体验
在电流通过磁场中的霍尔元件时，为什么在它的两个面之间会产生电压？
提示：因为电流通过霍尔元件时，它内部的运动电荷(载流子)在磁场力的作用下，向垂直电流和磁场的方向漂移，从而在此方向上产生电压．要点一 光敏电阻、热敏电阻的特性
1．光敏电阻
(1)光敏电阻的特性
光敏电阻是利用半导体材料制成的，在被光照射时电阻发生变化，即随照射光强度的增加而减小．
(2)光敏电阻阻值变化的原因
半导体材料受到的光照增强时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，电阻减小．2．热敏电阻
(1)热敏电阻的特性
热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻，正温度系数的热敏电阻随温度升高阻值增大，负温度系数的热敏电阻随温度升高阻值减小．
(2)热敏电阻阻值变化的原因
对于负温度系数的热敏电阻，温度升高时，有更多的电子获得能量成为自由电子，同时空穴增多，即载流子数增多，于是导电性明显地增强，阻值减小． (2013·山东实验中学高二检测)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时
( )
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大【思路点拨】 当照射光强度增大时，光敏电阻阻值发生变化，然后根据直流电路的动态分析方法进行判断．
【解析】 光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏感元件，同时也是转换器件．当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误．由路端电压减小，而R1两端电压增大，可知R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确．故选ABC.【答案】 ABC
【规律总结】 解决光敏电阻相关的问题，要分两步走
(1)明确光敏电阻的阻值随光照如何变化．
(2)结合光敏电阻阻值的变化，利用闭合电路的欧姆定律等相关运算，解决光敏电阻对电路的影响问题．跟踪训练1在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制．如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器．当环境温度降低时( )A．电容器C的带电量增大
B．电压表的读数增大
C．电容器C两板间的电场强度减小
D．R1消耗的功率增大 如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为h，有一磁感应强度为B的匀强磁场，垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？【答案】 见解析跟踪训练2如图所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上、下表面的电势的关系为( )
A．φM＞φN B．φM＝φN
C．φM＜φN D．无法判断解析：选A.霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用，做定向移动形成的，根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以φM＞φN.故选A.要点三 电容式传感器
1．原理
电容器的电容C取决于极板正对面积S，极板间距离d及极板间电介质这几个因素，如果某一物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某一因素的变化，从而引起电
容的变化，那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化．2．常见电容式传感器 如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的( )A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D．电压变化
【解析】 平行板电容器的电容C∝εrS/d，本例中的介质没有变化，正对面积也没有变化，引起电容变化的因素是板间距离d.故选A.
【答案】 A
【规律总结】 电容式传感器是应用了电容器的电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变的因素(如力、位移、压强、声音等)的关系，将这些非电学量转化为电容器的电容这个电学量．跟踪训练3(2013·四川南充高中高二检测)如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同．如果发现指针正向右偏转，则导电液体深度h的变化为( )
A．正在增大 B．正在减小
C．不变 D．无法确定传感器在实际中的应用
【范例】 如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．其中电源电压保持不变，R是滑动变阻器，它的金属滑片是金属杆的一端．在装置中使用了一只电压表(图中没有画出)，通过观察电压表示数，可以了解油量情况，你认为电压表应该接在图中的________两点之间，按照你的接法请回答：当油箱中油量减小时，电压表的示数将________(填“增大”或“减小”)．【解析】 由题图可知当油箱内液面高度变化时，R的金属滑片将会移动，从而引起R两端电压的变化，且当R′?R时，UR＝IR可视为UR与R成正比，所以电压表应接在c、d之间，当油量减少时，电压表示数将减小．
【答案】 c、d 减小本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放课件18张PPT。第三节 实验：传感器的应用第六章 传感器学习目标
1.了解光控开关和温度报警器的工作原理．
2．利用斯密特触发器设计光控开关电路和温度报警器．
3．练习用传感器制作自动控制设备．一、 实验目的
1．了解光控开关和温度报警器的工作原理．
2．练习用传感器制作自动控制设备．二、实验原理
1．光控开关
(1)电路如图所示．(2)斯密特触发器的工作原理：斯密特触发器是一个性能特殊的非门电路，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值(0.8 V)的时候，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)．
(3)光控开关的原理：白天，光照强度较大，光敏电阻RG阻值较小，加在斯密特触发器输入端A的电压较低，则输出端Y输出高电平，发光二极管LED不导通；当天暗到一定程度时，RG阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端A的电压上升到1.6 V，输出端Y突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的．2．温度报警器
(1)电路如图所示．
(2)工作原理：常温下，调节R1的阻值使斯密特触发器输入端A处于低电平，则输出端Y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RT阻值减小，斯密特触发器输入端A的电压升高，当达到某一值(高电平)时，其输出端Y由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声．R1的阻值不同，则报警温度不同，可以通过调节R1来调节蜂鸣器的灵敏度．三、实验器材
1．光控开关实验：斯密特触发器、发光二极管、二极管、继电器、灯泡(6 V,0.3 A)、可变电阻R1(最大阻值51 kΩ)、电阻R2(330 Ω)、光敏电阻、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、黑纸．
2．温度报警器实验：斯密特触发器、蜂鸣器、热敏电阻、可变电阻R1(最大阻值1 kΩ)、集成电路实验板、直流电源(5 V)、导线若干、烧杯(盛有热水)．四、实验步骤
1．光控开关实验步骤
(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上．
(2)检查各元件的连接，确保无误．
(3)接通电源，调节电阻R1，使发光二极管或灯泡在普通光照条件下不亮．
(4)用黑纸逐渐遮住光敏电阻，观察发光二极管或灯泡的
状态．
(5)逐渐撤掉黑纸，观察发光二极管或灯泡的状态．2．温度报警器实验步骤
(1)按照电路图将各元件组装到集成电路实验板上．
(2)检查各元件的连接，确保无误．
(3)接通电源、调节电阻R1，使蜂鸣器常温下不发声．
(4)用热水使热敏电阻的温度升高，注意蜂鸣器是否发声．
(5)将热敏电阻从热水中取出，注意蜂鸣器是否发声．五、注意事项
1．安装前，对器材进行测试，确保各元件性能良好后，再进行安装．
2．光控开关实验中，二极管连入电路的极性不能反接，否则继电器不能正常工作．
3．光控开关实验中要想天更暗时“路灯”才会亮，应该把R1的阻值调大些．
4．温度报警器实验中，要使蜂鸣器在更低的温度时报警，应该把R1的阻值调大些．类型一 光控开关的应用
如图所示是用斯密特触发器控制某宿舍楼道内照明灯的示意图，试说明其工作原理．【解析】 天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通．
天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈F，电磁继电器工作，接通工作电路，使照明灯自动开启．
天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y突然由低电平跳到高电平，则线圈F不再有电流，电磁继电器自动切断工作电路的电源，照明灯熄灭．【答案】 见解析
【规律总结】 斯密特触发器是具有特殊功能的非门，它可以将连续变化的输入信号变成突变的输出信号. 光控开关的敏感元件是光敏电阻，光照越强，其电阻阻值越小．类型二 温度报警器问题
型号为74LS14的集成块里面有6个非门，其引脚如图甲所示，这种非门由于性能特别，称为斯密特触发器．当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6 V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25 V)，而当输入端A的电压下降到另一个值的时候(0.8 V)，Y会从低电平跳到高电平(3.4 V)．斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行自动控制所必需的．现用斯密特触发器与热敏电阻RT组成温度报警器，电路如图乙所示，图中蜂鸣器可以选用YMD或HMB型，它两端的直流电压为4 V～6 V时会发出鸣叫声；RT为热敏电阻，常温下阻值约几百欧，温度升高时阻值减小．R1的最大电阻可在1 kΩ～2 kΩ间选择．
接通电源后，先调节R1使蜂鸣器在常温下不发声．再用热水使热敏电阻的温度上升，到达某一温度时就会发出报警声．
请你说明这个电路的工作原理．想一想：怎样能够使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警？【解析】 该电路的工作原理是：常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y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RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值(高电平)时，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，R1的阻值不同，报警温度不同．
要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R1的阻值，R1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．
【答案】 见解析本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放课件35张PPT。第二节 传感器的应用第六章 传感器学习目标
1.了解传感器在日常生活和生产中的应用．
2．了解传感器应用的一般模式．
3．会分析简单的有关传感器应用的控制电路，提高分析解决问题的能力．应变片．电阻物体形变电压成功体验
电子秤中的关键部件是什么？
提示：应变片．双金属片．热膨胀系数2．电饭锅
(1)它的主要元件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的．
(2)敏感元件： ___________感温铁氧体．103 ℃成功体验
(1)控制电熨斗温度的是哪个部件？
(2)电饭锅是靠哪个部件实现自动断电的？
提示：(1)双金属片；(2)感温铁氧体．三、光传感器的应用——火灾报警器
自研教材1．主要构造：发光二极管LED，光电三极管和不透明的
挡板．
2．敏感元件：光电三极管．
3．工作原理：平时发光二极管LED发出的光线因挡板照射不到光电三极管上，三极管的电阻较大；当烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线散射到光电三极管上，其电阻变小，与传感器连接的电路检测出这种变化而发出警报．成功体验
光电三极管具有什么特性？
提示：有光照射时电阻小，没有光照射时电阻大．要点一 传感器问题的分析
1．分析思路
物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件．我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤：
(1)信息采集；
(2)信息加工、放大、传输；
(3)利用所获得的信息执行某种操作．2．分析传感器问题要注意四点
(1)感受量分析
要明确传感器所感受的物理量，如力、热、光、磁、声等．
(2)输出信号分析
明确传感器的敏感元件，分析它的输入信号及输出信号，以及输入信号与输出信号间的变化规律．
(3)电路结构分析
认真分析传感器所在的电路结构，在熟悉常用电子元件工作特点的基础上，分析电路输出信号与输入信号间的规律．(4)执行机构工作分析
传感器的应用，不仅包含非电学量如何向电学量转化的
过程，还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的
过程． (2013·北京人大附中高二检测)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小．一同学利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置，如图甲所示，将压敏电阻平放在升降机内，受压面朝上，在上面放一物体m，升降机静止时电流表示数为I0.某过程中电流表的示数如图乙所示，则在此过程中( )A．物体处于失重状态
B．物体处于超重状态
C．升降机一定向上做匀加速运动
D．升降机可能向下做匀减速运动
【解析】 电流表的示数变为2I0且保持不变，说明压敏电阻的阻值比升降机静止时小，压敏电阻所受压力变大，物体处于超重状态，即物体具有向上的加速度，B、D正确，A、C错误．
【答案】 BD要点二 传感器的应用实例 如图所示为某种电子秤的原理示意图，AB为一均匀的滑线电阻，阻值为R，长度为L，两边分别有P1、P2两个滑动头，P1可在竖直绝缘光滑的固定杆MN上保持水平状态而上下自由滑动．弹簧处于原长时，P1刚好指着A端，P1与托盘固定相连．若P1、P2间出现电压时，该电压经过放大，通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小．已知弹簧的劲度系数为k，托盘自身质量为m0，电源电动势为E，内阻不计，当地的重力加速度为g.求：(1)托盘上未放物体时，在托盘自身重力作用下，P1与A端的距离x1；
(2)托盘上放有质量为m的物体时，P1与A端的距离x2；
(3)在托盘上未放物体时通常先校准零点，其方法是：调节P2，使P2离A端的距离也为x1，从而使P1、P2间的电压为零．校准零点后，将物体m放在托盘上，试推导出物体质量m与P1、P2间的电压U之间的函数关系式．【方法总结】 力学传感器的分析方法
(1)分析清楚力传感器的工作原理，明确装置是如何将力这个非电学量转化为电学量是解决该类问题的关键．
(2)涉及电路计算时，注意欧姆定律及分压原理的应用． 一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻随温度t变化的关系如图中实线①所示，由于环境温度以及熨烫的衣物厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大范围内波动，易损坏衣物．有一种用主要成分为BaTiO3(被称为“PTC”)的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升温快、能自动控制温度的特点，PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示，根据图线分析：
(1)为什么原处于冷态的PTC熨斗刚通电时比普通电熨斗升温快？
(2)通电一段时间后电熨斗温度t自动地稳定在T________＜t＜T________范围之内．(填下标数字)【答案】 (1)见解析 (2)6 7【规律总结】 PTC元件的电阻率与温度的关系无法用明确的数学表达式来表示，但可以通过实验测定其电阻率与温度的关系曲线，正确理解图象的物理意义是解决问题的关键． 如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮．车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示．若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是________；小车的速度表达式为v＝________；行程的表达式为s＝____________.【解析】 设车轮的半径为R，单位时间内齿轮转动圈数为K，则有v＝2πRK.若齿轮的齿数为p，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数为p，已知单位时间内的脉冲数为n，所以单位时间内齿轮转动圈数为n/p.由于齿轮与车轮同轴相连，它们在单位时间内转动圈数相等，即K＝n/p，由以上可得v＝2πRn/p.
同理，设车轮转动的累计圈数为k，则有s＝2πRk，且k＝N/p，所以s＝2πRN/p.
可见，要测出小车的速度和行程，除单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N外，还必须测出车轮半径R和齿轮的齿数p.
【答案】 车轮半径R和齿轮的齿数p 2πRn/p 2πRN/p自动控制电路的设计
【范例】 如图甲所示为一测量硫化镉光敏电阻特性的实验电路，电源电压恒定．电流表内阻不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯泡发光逐渐增强，测得流过电阻R的电流和光强的关系曲线如图乙所示，试根据这一特性设计一个自动光控电路．【解析】 由光敏电阻的特性曲线可以看出，当入射光增强时，光敏电阻的阻值减小，流过光敏电阻的电流增大．
根据题意设计的路灯自动控制电路如图所示．控制过程是：当有光照时，光电流经过放大器输出一个较大的电流，驱动电磁继电器吸合使两个常闭触点断开；当无光照时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作．
【答案】 见解析【名师归纳】 光传感器是重要的传感器之一，人们运用硫化镉对可见光敏感的特性，制作路灯自动开关、光照自动调节装置等自控设备．利用某些半导体材料对红外线敏感的特性，制作遥控设备，广泛地应用在电视机、录像机、空调、影碟机等家庭用电器的操作中，由于对红外线敏感的元件对可见光不敏感，用它制作的装置不受可见光影响，因此它的应用十分广泛．本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放
