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第六章 传感器

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高中物理--传感器

高中物理--传感器

B. 物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器

传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器


材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb)
1/ 2
4000 1840 4200
砷化铟(InAs)
磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
0.36
0.63 1.47
0.0035
0.08 0.2
25000
10500 8500
100
850 1700
1530
3000 3800
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架； 5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线 工作频率 固有频率 灵敏度 10～500 Hz 12 Hz 最大可测加速度 5g 可测振幅范围 精度 ≤10％ 45mm×160 mm 0.7 kg
0.1～1000 m 外形尺寸 1.9 k 质量
d E N dt
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作 相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等， 一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器 磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt 成正比的感应电动势E，其大小为
dx E NBl dt
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。 当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正 比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。 由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传 感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于 固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近 似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随 振动频率增加而下降。 不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的， 但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右，高的可 达2 kHz左右。
机器人技术基础课件第六章 机器人传感器

机器人技术基础课件第六章 机器人传感器


物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。
6.1 机器人传感器概述
6.1.1 传感器的基本概念
2、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换部分组成
基
被 测 量
敏 感 元 件
转 换 元 件
本 转 换 电
电 信 号
路
6.1 机器人传感器概述
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2.1 位移（位置）传感器
（1）信号性质
输出信号为一串脉冲，每一个脉
冲对应一个分辨角，对脉冲进行计 数N，就是对 的累加，即，角位移 ＝N。
如： ＝0.352，脉冲N＝1000，
则：
＝ 0.352×1000＝ 352
增量式编码器的信号性质
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光 电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠 等优点，应用广泛。
编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
轴式
套式
电信号
二进制编码
• 满足机器人控制的要求 • 满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求
6.1 机器人传感器概述
6.1.4 机器人传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力,力矩;
热工量:温度、热量、比热容、热流、 热 分布、压力（压强）、压差、真空度、流 量、流速、物位、 液位、界面、噪声
第六章 电感式传感器

第六章 电感式传感器


0
3


灵敏度：
L2

L0
0
1
0


0
2


0
3


K


L / L0


1 2
0
L

L1

L2

2L0
0
1
0
2


实际上由于线圈内部的磁场是不均匀的，电感量的增 量ΔL与△x存在着一定的非线性。
为提高灵敏度和线性度，螺线管型自感式传感器常 采用差动结构。
6.1 自感式传感器
广西大学电气工程学院
双螺管型差动型
L1
L2
u
x
特性曲线
等效电路
将传感器两线圈接于电桥 的相邻桥臂时，其输出灵 敏度可提高一倍，并改善 了非线性特性，还能减少 干扰影响。
• 对电源采取稳压、稳频、屏蔽、加滤波电容等 措施，可减弱或消除电源的影响。
• 铁芯磁感应强度的工作点一定要选在磁化曲线 的线性段，以免在电源电压波动时，铁芯磁感 应强度进入饱和区而使导磁率发生很大变动。
6.1 自感式传感器
零点残余电压及其补偿
在电桥预平衡时，无法实 现平衡，最后总要存在着 某个输出值ΔU0，这称为 零点残余电压
应在设计制造时采取措施， 保证两电感线圈的对称。
减少电源中的谐波成分 在测量电桥中接入可调电
位器 采用相敏整流电路
广西大学电气工程学院
理想状态
ΔU0
实际状态
uo
理想状态
实际状态
第六章 电感式传感器
广西大学电气工程学院
第六章 温度测量--热电阻传感器

第六章 温度测量--热电阻传感器

电阻式温度传感器电阻式传感器广泛应用于测量-200～960℃范围内的温度。

它是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化原理而工作的，用仪表测量出电阻的变化，从而得到与电阻值相对应的温度值。

电阻式传感器按照其制造材料分可分为：金属（铂和铜）热电阻及半导体热电阻(热敏电阻)两大类。

一、 常用的金属热电阻金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的升高而增大的原理进行测温的。

温度是分子平均动能的标志，当温度升高，金属晶格的动能增加，从而导致振动加剧，使自由电子通过金属内部时阻碍增加，金属导电能力下降，即电阻增加。

通过测量导体的电阻变化情况就可以得到温度变化情况。

最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图7-1所示。

主要制造材料是铂和铜。

测量温度范围-220～+850℃。

在特殊情况下，低温可测量至1K （-272℃），高温可测量至1000℃。

1、铂热电阻铂热电阻是目前公认的制造热电阻最好的材料，它性能稳定，重复性好，长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。

同时其测量精度高。

在氧化性介质中、甚至在高温下，其物理、化学性能都很稳定，其阻值与温度之间几乎成线性变化。

但其在还原性介质中，特别是高温易从氧化物中还原出来的气体所污染，改变它的电阻与温度关系，此外其电阻温度系数小，价格较高。

因此，主要作为标准电阻温度计和高精度温度测量。

铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，因此铂电阻的纯度是以W （100）表示：100)100(R R W =（6-1） W （100）越高，表示铂丝纯度越高。

国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W （100）≥1.3925。

目前技术水平已达到W （100）＝1.3930，工业用铂电阻的纯度W （100）为1.387～1.390。

中国常用的铂电阻有两种，分度号分别为Pt50和Pt100。

即在0℃时电阻分别为50Ω和100Ω。

第六章-自感式传感器

第六章-自感式传感器


L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低 ，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈 匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章 电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用 线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它 可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一 定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成 位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电 感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0
第六章 化学传感器(离子敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器)

第六章 化学传感器(离子敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器)

在待测溶液中，一般总是存在着许多种离子，其它离
子对待测离子的测量会起到干扰作用。考虑到干扰离 子的作用，能斯特方程可以表示为：
i
0
RT ni F
ln(i
j
K ) ni / n j ij j
其中，Kij 为选择系数
9
化学传感器
对于 n 沟道增强型场效应管，如果 U大G S 于场效应管 阈值电压 U，T 场效应管将由于 的UG作S 用而导通，其漏 极电流ID为：
12
特性曲线：在ID（ IDS)不变情况下
化学传感器
13
化学传感器
气敏传感器
常见气体检测方法： 1）电化法 2）光学法 3）电气法：半导体式和接触燃烧式。
优点：灵敏度高、响应速度快 制作简单、价格便宜
14
化学传感器
本节主要介绍两种半导体气敏传感器： 电阻式气敏传感器和MOSFET气敏传感器
溶液与敏感膜和参比电极同时接触，充当栅极。
7
化学传感器
二、离子的活度 若给离子场效应管加一个栅电压 ， 那U么G S在待测溶液和敏感膜的交界处将产生一定的界面 电位 ，根据i能斯特方程，
阴离子，若还原态物质活度为1，则有
i
0
RT nF
ln i
阳离子，若氧化态物质活度为1，则有
i
0
2.303RT nF
通过对ISFET的漏电流ID的大小的测量，就可以检测 出溶液中离子的浓度。
11
化学传感器
四、离子敏场效应管的特性 具有场效应管的优良特性，如转移特性、输出特性、
击穿特性等。而作为离子敏器件，它还应满足敏感管的一 些基本特性要求，例如响应特性、离子选择性、输出稳定 性等。 1离. 线子性浓度度：的器变件化在而特变定化的的测特量性范。围内的输出电流ID随溶液中
《传感器技术》教学课件第6章

《传感器技术》教学课件第6章


沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电
荷， 其大小为
qx d11Fx
(6-2)
式中, d11为x方向受力的压电系数。
14
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则电荷仍 在与x轴垂直的平面上产生，其大小为
qy
d12
a b
Fy
(6-3)
式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11；
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
16
石英晶体具有压电效应与内部分子结构有关。图6-3 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，将 硅离子和氧离子在垂直于晶体z轴的xy平面上进行投影， 等效为一个正六边形排列。
当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶
极矩P1、P2、P3。 如图6-4（a）所示。
29
压电材料的压电特性可以用压电方程表示，其矩阵形式是： 定义压电系数矩阵D为：
30
压电系数矩阵D是正确选择压电元件、受力状态、变形方 式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。石英晶体压电 系数矩阵可表示为
式中独立的压电系数是d11和d14；压电系数矩阵可表示为：
其中独立的压电系数是d33、d31和d15三个。
(第6章)磁电式传感器

(第6章)磁电式传感器


6.2.2 霍尔元件的应用
1．霍尔式微量位移的测量 ．
由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感 成正比， 的函数， 应强度B是位置x的函数，即 UH=kx 13） （6-13） 式中： ——位移传感器灵敏度 位移传感器灵敏度。 式中：ｋ——位移传感器灵敏度。
测量转速时，传感器的转轴1 测量转速时，传感器的转轴1与被测物 体转轴相连接，因而带动转子2转动。 体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转 的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈3 磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应 出近似正弦波的电压信号， 出近似正弦波的电压信号，其频率与转速 成正比例关系。 成正比例关系。
2．霍尔元件基本结构 ．
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 根引线和壳体组成， 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图6-8阻 ）
I v= nebd
得
IB EH = nebd
IB UH = ned
式中： 称之为霍尔常数， 式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度， 其大小取决于导体载流子密度，则
RH IB = K H IB UH = d
（6-12） 12）
称为霍尔片的灵敏度。 式中： 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
传感器及其应用PPT

传感器及其应用PPT

第六章 传感器
问题引入
音乐茶杯：茶杯平放桌上时，无声无息，提起茶杯，茶杯边播放 悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。怎么回事
用书挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐 茶杯受光照强度的控制。
光照变化（光强变化）光照时光敏电阻阻值减小 电路接通，音乐响起。
列举生活中的一些自动控制实例，
遥控器控制电视开关；日光控制路灯的开关 声音强弱控制走廊照明灯开关；自动门安检门等
热敏电阻能够把 温度这个热学量转换成为电阻 这个电学量
3）应用：电阻温度计、报警器等
例题2、如图是一个温度传感器的原理示意图,Rt 是一个热敏电阻器。试说明传感器是如何把温度
值转变为电信号的。
Rt
R
V
思考方向：1、两电阻采取什么连接方式？ 2、转变的电信号应该是哪个电学量？ 3、电压表测的是哪个电阻的电压？
两端的电压U的变化情况是（B ）
A. I 变大，U 变大 B. I 变小，U 变小
C. I 变小，U 变大 D. I 变大，U 变小
a E r
b
A
R2
R1
R3
4、电容式位移传感器
电容器极板
x
电介质板
被测物体
电容式位移传感器示意图
电容式位移传感器能够把物体_位__移__这个力学量 转换为__电_容__这个电学量
现有下列器材：力电转换器、质量为 m0 的砝码、电压表、 滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可 置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量 m 。 （1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使 电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。
音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？
传感器原理及应用第六章 磁电式传感器

传感器原理及应用第六章 磁电式传感器


两者工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起 振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率 足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来 不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹 簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振 动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电 势为
（一）磁电感应式传感器的工作原理
电磁式传感器工作原理
当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿 过线圈的磁通为Ф，则整个线圈中所产生的感应电动势e为
e W d dt
（二）磁电感应式传感器的结构及特点
1、磁电感应式传感器的结构
磁电式传感器基本上由以下三部分组成： ①磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器 体积，一般都采用永久磁铁； ②线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势； ③运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。
式(7 - 7)可得近似值:
γt ≈(-4.5%)/10 ℃
(Hale Waihona Puke - 8)这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采
用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁
性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一
小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它
分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从
而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为
常数。
（三）磁电感应式传感器的转换电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高 的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图为一般测量电路方框图

第六章 化学传感器(离子敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器)


化学传感器
化学传感器
二、MOSFET气敏传感器 1.原理与结构
用能溶于氢气(H2)的金属钯(Pd)或铂(Pt)代替Al 作为MOS管的金属栅，即得到催化金属场效应气敏传 感器。 显然，催化金属栅场效应气敏传感器可以检测氢 气、含有氢原子、能与氢发生反应的气体，例如氨气 (NH3)、硫化氢(H2S)、氧气(O2)、一氧化碳(CO)等。 用的最多的是检测氢气。
COxW
L
/ [(U GS U T )U DS
2 2 U DS COxW U DS ] [(U GS U T )U DS ] 2 L 2
饱和区： CoxW
ID 2L
(U GS U T )
2
CoxW
2L
(U GS U T ) 2
其中，U T 为等效阈值电压
21
化学传感器
氢气敏N沟MOS晶体管的结构如图所示
氢气敏N沟MOS晶体管采用P型单晶硅，S区、D区为重掺杂 N+型扩散区，加热电阻也在N+区，绝缘栅氧化膜用氯化氢 干氧氧化，膜厚为100nm，金属Pd栅的厚度为100nm。 当氢气吸附于Pd栅膜表面时，氢分子在栅膜表面迅速分解 为氢原子，氢原子迅速向栅膜内扩散，其中一部分氢原子 被吸附于Pd栅膜与氧化物(SiO2)界面，并在此界面形成氢 原子层，导致界面金属的电子功函数减小，影响到SiO2 – Si界面的表面态密度，MOSFET的阈值电压UT也会因此变化。
通过对ISFET的漏电流ID的大小的测量，就可以 检测出溶液中离子的浓度。
11
化学传感器
四、离子敏场效应管的特性
具有场效应管的优良特性，如转移特性、输出特性、 击穿特性等。而作为离子敏器件，它还应满足敏感管的一 些基本特性要求，例如响应特性、离子选择性、输出稳定 性等。 1. 线性度：器件在特定的测量范围内的输出电流ID随溶液 中离子浓度的变化而变化的特性。 2. 动态响应： 溶液中的离子活度阶跃变化或周期性变

高二物理人教版选修3-2第六章 1 传感器及其工作原理


三、热敏电阻和金属热电阻 1.热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显,温度升 高电阻减小,如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性 曲线。
2.金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大,这样的电阻也可以制作 温度传感器,称为热电阻,如图乙所示为某金属导线电阻的温度特 性曲线。
探究一
探究二
探究三
探究四
典例剖析
【例题1】 全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是 确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理, 某同学自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置。如图乙所
示,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。该同学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过
3.霍尔电压:UH=kIdB 。 (1)其中d为薄片的厚度,k为霍尔系数,其大小与薄片的材料有关。 (2)一个霍尔元件的d、k为定值,再保持电流I恒定,则UH的变化就 与磁感应强度B成正比。 4.作用:把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
搜索“玉兔探月机器人”,了解我国“玉兔”探月机器人 拥有哪些传感器,以后的探月机器人的发展方向等。
B.θ'<θ C.θ'>θ
D.不能确定
解析:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部
分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,故B正确。
答案:B
探究一
探究二
探究三
探究四
热敏电阻和金属热电阻
问题探究
如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支
表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连, 这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精,表针将 如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?

第六章 第2节 传感器的应用

2
传感器的应用
知识点 1 电熨斗
在电熨斗中，装有能控制电路的通断的双金属片温度传感
器，当温度发生变化时， 双金属片的膨胀系数不同，常温下， 上、下触点是接触的，但温度过高时，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，停止加热．温度降低后， 双金属片恢复原状，重新接通电
计，当地的重力加速度为 g.求：
图 6－21 离 A 的 距离 x1； (2)托盘上放有质量为 m 的物体时，P1 离 A 的距离 x2. 解：托盘的移动带动 P1 移动，使 P1、P2 间出现电势差，电
势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小，由于 R 为均匀的
刻升降机开始运动，从电流显示器中得到电路中电流 i 随时间 t
变化情况如图乙所示．则下列判断正确的是( )
图 6－2－7 A．t1～t2 时间内绝缘重物处于超重状态 B．t3～t4 时间内绝缘重物处于失重状态 C．升降机开始时可能停在 10 楼，从 t1 时刻开始，经向下 加速、匀速、减速，最后停在 1 楼 D．升降机开始时可能停在 1 楼，从 t1 时刻开始，经向上 加速、匀速、减速，最后停在 10 楼
【触类旁通】 1．如图 6－2－6 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
源，从而保持温度．如图 6－2－1 所示．

高中物理 第六章 传感器 第1节 传感器及其工作原理(含解析)2

第1节传感器及其工作原理1．传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

2．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。

3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。

5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。

2．非电学量转换为电学量的意义把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。

二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。

2．原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。

2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。

四、霍尔元件1．霍尔元件如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，它就成为一个霍尔元件。

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。

2．霍尔电压U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。

(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。

1．自主思考——判一判(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。

(×)(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。

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电阻温度特性图线
1、金属热电阻 2、热敏电阻
应用：温度传感器
例题
如图所示，将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再 将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R。的两端相 连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央．若往Rt上擦一些 酒精，表针将向 (填“左”或“右”)转动； 若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向 (填“左”或“右”)转动． [分析]若往R上擦一些酒精，由于酒精蒸发吸热，热敏电 阻R1温度降低，电阻值增大，所以电流减小，指针应向左 偏；用吹风机将热风吹向电阻，电阻R温度升高，电阻值 减小，电流增大，指针向右偏． 答案：左 右
例题
在自动恒温装置中，某种半导体材料的电阻率与温 度的关系如图示，已知这种材料具有发热和控温双重功 能，如果在通电前材料温度低于t1；通电后，电压保持 不变，它的功率( ) A．先增大后减小 B．先减小后增大 C．达到某一温度后功率不变 D．功率一直在变化
AC[提示：最初材料温度低于t1，由于电流做功，使材料发热，温度升 高．由图知，这时材料的电阻率减小，即电阻减小，因为电压不变，由 可得，这时功率增大，当温度升高t2以后，半导体材料的电阻增大，则这 时功率要减小，所以A正确；当电流使半导体材料产生的热量恰好等于其 散发的热量时，其温度不再变化，电阻率也就恒定，则电阻不变，所以 这时功率不变，故C正确．所以答案应为AC]
电学量
二、传感器的原理
非电学量 敏感元件
传感器
转换器件 转换电路 电学量
三、几种常见的传感器元器件
1、光敏电阻
2、热敏电阻和金属热电阻 3、霍尔元件
1、光敏电阻（实验）
光敏电阻的阻值随光照的增强而减小．
暗环境下光敏电阻阻值很大
强光照射下电阻很小
光敏电阻
光敏电阻是能够把光照强弱这个光学 量转换为电阻这个电学量的元件．
解析：分别判定空穴和自由电子所受的洛伦兹力的方向，由于四指指电 流方向，都向右，所以洛伦兹力方向都向上，它们都将向上偏转。p型半导体 中空穴多，上极板的电势高；n型半导体中自由电子多，上极板电势低。 注意：当电流方向相同时，正、负离子在同一个磁场中的所受的洛伦兹 力方向相同，所以偏转方向相同。3、霍尔元件Fra bibliotek各种传感器
传感器应用的一般模式
第二、三节 传感器的应用（一 ）（二）
1、力传感器――电子秤 力学量传感器
2、声传感器――话 筒 3、温度传感器――电熨斗 热学量传感器
4、光传感器――鼠标器 光学量传感器
一、力学量传感器


力（压强）传感器 位移传感器 角度传感器 加速度传感器 角速度传感器
[分析]热敏电阻的阻值随温度变化而变化，定值电阻和光敏电阻的阻值不随温 度变化；光敏电阻的阻值随光照变化而变化，定值电阻和热敏电阻的阻值不随 光照变化．答案：AC
例题
例题
如图所示，有电流I流过长方体金属块， 金属块宽度为d，高为b，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?
[分析] 光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将Rt， 用不透光的黑纸包起来，电阻增大，电流减小，指针 左偏；若用手电筒光照射Rt，电阻减小，电流变大， 指针右偏． 答案：左 右．
例题
如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图， 其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数 器的基本工作原理是( ) A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压 B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压 C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
R应全部浸入水中，温度计应悬在水中
3、霍尔元件
霍尔效应
Hall Effect
空穴导电
如图所示，厚度为d 的导体板放在垂直于它的 磁感应强度为B的匀强磁 场中，当恒定电流I通过导 体板时，导体板的左右侧 面出现电势差。
+q f洛
v
f电
电子导电
f洛 v
－q
f电
霍尔效应原理
UM ＜ UN
UM＞ UN
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集， 在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场，横 向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹 力达到平衡时，导体板左右两侧会形成稳定的电压．
p型: Positve
＋
例题
n型: Negative
－
半导体靠自由电子（带负电）和空穴（相当于带正电） 导电，分为p型和n型两种。p型半导体中空穴为多数载流 子；n型半导体中自由电子为多数载流子。用以下实验可 以判定一块半导体材料是p型还是n型：将材料放在匀强 磁场中，通以如图所示方向的电流I，用电压表比较上下 两个表面的电势高低。 （1）若上极板电势高，就是 p型 半导体； （2）若下极板电势高，就是 n型 半导体。
应用：光控路灯电路
电磁开关
2、热敏电阻和金属热电阻
热敏电阻：由半导体材料组成，温度 升高导电能力增强，即电阻变小，且随温 度变化非常明显。 金属热电阻：有些金属的电阻率随温 度的升高而增大，称为金属热电阻。
温度 热学量 电阻
电学量
热敏电阻和金属热电阻的比较
相同点：热敏电阻或金属热电阻都能够把温 度这个热学量转换为电阻这个电学量。 不同点：金属热电阻的化学稳定性好，测温 范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。
BC [提示：由电容的 决定式知，F向上压膜片电极板时， 极板正对面积不变，间距变小，故C将增大；C变化，所带电荷 量随之变化，故电流表有示数．]
压强传感器
2、声传感器的应用――话 筒
干簧管
磁学量
电学量
玻璃管中封入两个软磁性材料制成的 簧片。是能够感受磁场的传感器。
一、什么是传感器 sensor
传感器是指这样一类元件：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 的规律转换为电压、电流等电学量， 或转化为电路的通断。
力 温度 光 声 化学成分
非电学量
AC[提示：当光照射到光敏电阻R1上时，R1电阻减小，电路中电流增大，R2 两端电压升高，信号处理系统得到高电压，计数器每由高电压转到低电压， 就计一个数，从而达到自动计数的目的.]
例题
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
第六章
传感器
生活中的为什么？



电饭煲为什么能自动加热和保温而不会把饭烧焦? 你走近自动门时，为什么门就会自动打开? 为什么电梯的两门靠拢接触人体时，门又会自动打 开而不会夹伤人? 为什么在几百甚至几万千米高空的人造地球卫星上 竟然能拍摄出清晰的地面照片? 摄像机又为何能把绚丽多彩的世界真实地记录下来?
解析
例题
有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别 接入如图所示电路中的A，B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入 热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是 ( ) A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件 一定是热敏电阻 B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一 定是定值电阻 C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大， 这只元件一定是光敏电阻 D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只 元件一定是定值电阻
例题
如图所示是一火警报警器的一部分电路示意 图，其中R2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 ， a，b 之 间 接 报 警 器．当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电 流I、报警器两端的电压U的变化情况是( ) A．I变大，U变大 B．I变小，U变小 C．I变小，U变大 D．I变大，U变小
例题
如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数 的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时( ) A．R1两端的电压增大 B．电流表的示数增大 C．小灯泡的亮度变强 D．小灯泡的亮度变弱
C[提示：R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温 度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L电压增大， 灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故C正确，其余各项均错]
[分析] 当R2处出现火情时，热敏材料制成的传感器的路中的总电阻减小， 由闭合电路欧姆定律可知：外电压将减小所以R1 上的电压增大，显示器 两端电压将减小，电流减小，所以选项B正确. 答案：B
例题
在热敏特性实验中，为了研究热敏电 阻的阻值随温度变化的情况，用如图所示 装置进行实验，请指出图中错误之处(R为 热敏电阻)．
的d、k为定值，再保持I恒定）
应用：磁场传感器
例题
电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管 中的流量(单位时间内通过管内横截面流体的体积)为了简 化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道， 其中空部分的长、宽、高分别为图中的a，b，c流量计的两 端与输送流体的管道相连接(图中虚线)．如图所示中流量 计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料．现于流 量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于 前后两面．当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流 量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表两端连接， I表示测得的电流值．已知流体的电阻率为ρ，不计电流表 的内阻．试论述说明流量
应变力式传感器
力传感器
电桥式应变力片传感器
电桥式应变力片传感器
电容式力传感器
例题
传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示是一种 测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片 电极上时，可使膜片产生形变，引起电容的变化，将电容 器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么 ( ) A．当F向上压膜片电极时，电容将减小 B．当F向上压膜片电极时，电容将增大 C．若电流计有示数，则压力F发生变化 D．若电流计有示数，则压力F不发生变化