6.1传感器工作原理及其应用

光敏传感器
实验
光照情况 电阻值的情况 光敏电阻
受光表面暴露 电阻小
手遮盖受光 表面
电阻大
电阻随光照的增强而减小（半导体材料） 电阻随光照的增强而减小（半导体材料）
习题1 如图所示， 为定值电阻， 是小灯 习题1．如图所示，R1、R2为定值电阻，L是小灯 泡 ， R3 为 光 敏 电 阻 ， 当 照 射 光 强 度 增 大 时 ， （ ABC ） 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 ． ．
转换器件
转换电路
电学量
3、敏感元件及输入输出物理量 、 （1）光敏电阻（光电传感器）入：光照强度；出：电阻 光敏电阻（光电传感器） 光照强度； （2）热敏电阻和金属热电阻（温度传感器）入：温度；出：电阻 热敏电阻和金属热电阻（温度传感器） 温度； （3）霍尔元件（磁传感器）入：磁感应强度；出：电压 霍尔元件（磁传感器） 磁感应强度； 4、霍尔电压的公式 U H = k IB 、 其中 k = 1 d nq
推导霍尔电压的公式。 推导霍尔电压的公式。
设载流子的电荷量为q，沿电流方向定向运动的平 均速率为v，单位体积内自由移动的载流子数为n， 垂直电流方向导体板的横向宽度为a，则电流的微 观表达式为 I = nqadv ① 载流子在磁场中受到的洛伦兹力 f = qvB 载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电 U F = q 势差，载流子受到的电场力为 当达到稳定状 a 态时，洛伦兹力与电场力平衡，即 qvB = q U a ② 由①②式得 U H = IB ③
习题2.下图是一个温度传感器的原理示意图,R 习题2.下图是一个温度传感器的原理示意图,Rt 2.下图是一个温度传感器的原理示意图 是一个热敏电阻器。 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。 转变为电信号的。
Rt
R
V
【解答】温度升高或降低导致Rt阻值发生变化， 解答】温度升高或降低导致Rt阻值发生变化 阻值发生变化， 使电路中电流也发生变化，导致R 使电路中电流也发生变化，导致R上的电压也发生 改变，因此电压表读数将会发生变化， 改变，因此电压表读数将会发生变化，从而就将 温度的化转变为电信号。 温度的化转变为电信号。
二、传感器的工作原理 二、传感器的工作原理 传感器的
非电学量
传 感 器
敏感元件
电学量
转换器件
转换电路
三、光敏传感器 三、光敏传感器
（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。 光敏电阻的电阻率与光照强度有关。 光敏电阻受到光照时电阻会变小。 CdS） （2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉（CdS） 是一种半导体材料，无光照时，载流子极少， 是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性 能不好；光照增强，载流子增多，导电性能变好。 能不好；光照增强，载流子增多，导电性能变好。 光敏电阻将光学量（光照强度） （3）光敏电阻将光学量（光照强度）转化为电学量 电阻）。 （电阻）。
通过已有知识在传感器中的应用激发科学探究的 兴趣。 兴趣。
教学重点、 教学重点、难点
重点
认识各种常见的传感器；了解光敏电阻、热敏电阻、 认识各种常见的传感器 ； 了解光敏电阻 、 热敏电阻 、 霍尔元件的工作原理。 霍尔元件的工作原理。
难点
光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。 光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原理。
解：因为自由电荷为电子，故由 因为自由电荷为电子， 左手定则可判定电子向上偏， 左手定则可判定电子向上偏，则上 表面聚集负电荷， 表面聚集负电荷，下表面带多余等 量的正电荷，故下表面电势高， 量的正电荷，故下表面电势高，设 其稳定电压为U， 其稳定电压为 ，即 qu/b=qvB
又因为导体中的电流 I=neSv=nevbd 故 U=IB/ned
电学量
电压 电流 电阻 电容
一、什么是传感器
传感器是指这样一些元件：它能够 传感器是指这样一些元件： 感受诸如力、温度、 感受诸如力、温度、光、声、化学成分 非电学量， 等非电学量，并能把它们按照一定规律 转换为电压、电流等电学量 电学量， 转换为电压、电流等电学量，或转换为 电路的通断。 电路的通断。
U
H
IB = k d
讨论与交流
人体对外界的感觉可分为哪几种？分别由什么 器官承担？
人体感觉 感觉器官
视觉 听觉 味觉 嗅觉 触觉
眼睛 耳朵 舌头 鼻子 皮肤
生活中的物体
温度传感器 机油压力传感器 光电传感器
自动旋速度 声强 加速度 湿度 ………
T
（2）热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量 热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差， 灵敏度高 范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好 的化学稳定性较好， 范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范 围较大，但灵敏度较差。 围较大，但灵敏度较差。 热敏电阻或金属热电阻能够将热学量 温度) 热学量( （3）热敏电阻或金属热电阻能够将热学量(温度)转 化为电阻这个电学量。 电阻这个电学量 化为电阻这个电学量。
五、霍尔元件（磁传感器） 五、
I
（1）材料：半导体 如：砷化铟 材料：
F C D
（2）工作原理： 工作原理：
E
（3）霍尔电压: 霍尔电压:
B UH
霍尔元件工作原理图 K为比例系数，称为霍尔系数，其大小与元件的材料有关。 为比例系数，称为霍尔系数，其大小与元件的材料有关。 霍尔系数 一个霍尔元件的d、 为定值 再保持I恒定 为定值， 恒定， 一个霍尔元件的 、k为定值，再保持 恒定，则UH 的变化就 成正比。 磁敏元件。 与B成正比。因此霍尔元件又称磁敏元件。 成正比 因此霍尔元件又称磁敏元件 霍尔元件把磁学量（磁感应强度）转换为电学量（电压）。 霍尔元件把磁学量（磁感应强度）转换为电学量（电压）。
六、小结
1、传感器： 、传感器： 传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、 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、 或转换为电路的通断。 律转换为电压、电流等 电学量 ，或转换为电路的通断。 2、传感器的工作原理： 、传感器的工作原理： 非电学量 敏感元件
四、热敏电阻和金属热电阻 四、
R
金属导线
（1）导电性能与温度的变化关系。 导电性能与温度的变化关系。 半导体材料的导电性能随温度升高而 变好（电阻率随温度升高而减小） 变好（电阻率随温度升高而减小）； 金属导体的导电性能随温度升高而降 O 电阻率随温度升高而增大） 低（电阻率随温度升高而增大）。
热敏电阻
分析：角度增大，正对面积减小，电容器 分析：角度增大，正对面积减小， 的电容变小， 的电容变小，从而转变为电信号
八、课后设计 八、课后设计:火警报警器 课后设计:
设计要求：温度过高，发生警报 设计要求：温度过高， 学生分组讨论： 需要什么器材？ 学生分组讨论：①需要什么器材？ 提出设计方案； ②提出设计方案； 讨论并提出改进意见； ③讨论并提出改进意见； 还可以用于生活中的哪些方面？ ④还可以用于生活中的哪些方面？
H H
nqd
式中的nq与导体的材料有关，对于确定的导体， 1 nq 是 常 数 。 令 ，则上式可写为 k = nq ④ IB
UH = k d
习题3:如图所示， 有电流I流过长方体金属块 流过长方体金属块， 习题 如图所示，有电流 流过长方体金属块 ， 金 如图所示 属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强 属块宽度为 ，高为 ，有一磁感应强度为 的匀强 磁场垂直于纸面向里， 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、 下表面的哪侧电势高？ 子数为 ， 试问金属块上 、 下表面的哪侧电势高 ？ 电势差是多少？ 电势差是多少？
演示
盒子里面有什么装置？ 盒子里面有什么装置？
器材：盒侧面一灯泡，盒外无开关，磁铁， 器材：盒侧面一灯泡，盒外无开关，磁铁， 盒内（你猜猜？ 盒内（你猜猜？） 现象：磁铁放到盒子上面，灯泡发光， 现象：磁铁放到盒子上面，灯泡发光，把磁 铁移走， 铁移走，灯泡熄灭
干簧管 结构： 结构：玻璃管里封入两个软磁性材 料制成的簧片 原理：磁铁接近干簧管时， 原理：磁铁接近干簧管时，簧片被 磁化而接通 作用： 作用：开关
甘肃省靖远四中
刘元杰
教学目标
（一）知识与技能
1．知道什么是传感器。 ．知道什么是传感器。 2．了解光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件的工作原 ．了解光敏电阻、热敏电阻、 理。 3．会使用霍尔电压公式 。 ．
（二）过程与方法
通过实验，知道常见传感器的工作原理。 通过实验，知道常见传感器的工作原理。
（三）情感、态度与价值观 情感、
七、自学电容式位移传感器
电容器极板
x
电介质板 被测物体
示意图 电容式位移传感器把力学量（位移） 电容式位移传感器把力学量（位移） 转换为电学量（电容）。 转换为电学量（电容）。
习题4 如图所示，为一种测定角度的传感器， 习题4．如图所示，为一种测定角度的传感器， 当彼此绝缘的金属板构成的动片和定片之间的角 度发生变化时， 度发生变化时，试分析传感器是如何将它的这种 变化转化为电学量的。 变化转化为电学量的。