传感器及其工作原理 课件
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图 6-1-3
【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 b、c 两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大．
【答案】 b、c 增大
传感器问题的分析思路 不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的 变化转换为电学量的变化．因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变 化．
3．分类
工作原理
利用物质的物理性质和物理效 物理传感器
应感知并检测出待测对象信息
化学传感器 利用化学反应识别和检测信息 利用生物化学反应识别和检测
生物传感器 信号
举例 压电传感器、温度传感器、光 电传感器、电感传感器、电容 传感器等 气敏传感器、湿敏传感器等 酶传感器、组织传感器、细胞 传感器等
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 6-1-3 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：当油箱中油量减少时，电 压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．
解决含有热敏(光敏)电阻的动态分析问题的思路 (1)应明确热敏(光敏)电阻的电阻特性． (2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而 引起的整个电路中各部分电学量的变化情况． (3)基本流程：R 局→R 总→I 总→U 端→R 局．
霍尔效应的应用 1．霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中．例如用霍尔效应可以确定 一种半导体材料是电子型还是空穴型．半导体内载流子的浓度受温度、杂质以 及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了 重要的方法． 2．利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁场，测量直流 和交流电路中的电流和功率，转换信号，如把直流转换成交流并对它进行调制， 放大直流或交流信号等．
二、光敏电阻 1．特点：光照越强，电阻越越小． 2．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子少，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，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小 ， 如图 6-1-1 甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线．
(3)实验结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，而且阻值的变化是非线性 的． 2．光敏电阻特性验证实验设计 (1)实验器材：光敏电阻、多用电表、导线、开关． (2)实验步骤 ①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接，测光敏电阻值如图 6-1-6 所 示；
图 6-1-6
②手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，再测光敏电阻的阻值； ③全部挡住光线，再测光敏电阻的阻值． (3)实验结论：光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大，而且阻值的变．热敏电阻特性验证实验设计 (1)实验器材：热敏电阻、烧杯(备有冷、热水)、温度计、铁架台、多用电表、 开关、导线．
(2)实验步骤 ①如图 6-1-5 所示，将一个热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻， 记录温度、电阻值；
图 6-1-5 ②将热敏电阻放入装有少量冷水并插入温度计的烧杯中，记录温度、电阻值； ③分几次向烧杯中倒入热水，观察不同温度下热敏电阻的阻值； ④根据实验数据说明热敏电阻随温度变化的情况．
2．传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等， 而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微 弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作 原理如下所示： 非电学量 → 敏感元件 → 转换器件 → 转换电路 → 电学量
传感器及其工作原理
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(通常是电电压压、电流等电学量)，或 转换为电路的通通断断的元件．
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量、传输、处理和控制． 3．注意 (1)传感器的发展十分迅速，其品种已达数万种，我们学习了解的只是最基本的 几种而已． (2)不能认为传感器输出的一定是电信号．
[说明] 霍尔电压的推导 设上图中 MN 方向长度为 l2，则 qUl2H＝qvB. 根据电流的微观解释，I＝nqSv， 整理后，得 UH＝nIqBd.令 k＝n1q，则 UH＝kIdB. UH 与 B 成正比，因此霍尔元件能把磁学量转换成电学量．
传感器的原理和分类 1．传感器的核心元件 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量 成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等． (2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出 的物理量转换成电学量输出． (3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、 电流等．
(多选)如图 6-1-7 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
图 6-1-7
【解析】 当照射光强度增大时，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 增大知，R2 两端电压必减小，则 R2 中电流减小，故 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． 【答案】 ABC
图 6-1-2
2．工作原理：在 E、F 间通入恒定的电流 I, 同时外加与薄片垂直的磁场 B，则 薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直 的方向漂移， 使 M、N 间出现了电压，称为霍尔电压 UH. 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 I 恒定，则 UH 的变化就与 B 成正比． 4．作用：把磁感应强强度度这个磁学量转换为电压压这个电学量．
(多选)如图 6-1-9 所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流 I
由正电荷的定向运动形成．下列说法正确的是( )
A．M 点电势比 N 点电势高
B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量 D．若保持电流 I 恒定，则霍尔电压 UH 与 B 成正比
图 6-1-9
【解析】 当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向 N 极聚 集，M 极感应出等量的负电荷，所以 M 点电势比 N 点电势低，选项 A 错误； 根据霍尔元件的特点可知，选项 B、C 正确；因霍尔电压 UH＝kIdB，保持电流 I 恒定时，霍尔电压 UH 与 B 成正比，选项 D 正确． 【答案】 BCD
金属导体
优点
灵敏度好
化学稳定性好，测温范围大
作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
[注意] 在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)
热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．
四、霍尔元件 1．构造：如图 6-1-2 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，就成为一个霍尔元件．
甲乙 图 6-1-1
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 6-1-1 乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．
3．热敏电阻与金属热电阻的区别
热敏电阻
金属热电阻
电阻随温度的变化而变化且非 特点
常明显
电阻率随温度的升高而增大
制作材料
半导体
【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 b、c 两点之间；当油量减少时，电压表示数将增大．
【答案】 b、c 增大
传感器问题的分析思路 不同类型的传感器，其工作原理一般不同，但所有的传感器都是把非电学量的 变化转换为电学量的变化．因此我们可以根据电学量的变化来推测相关量的变 化．
3．分类
工作原理
利用物质的物理性质和物理效 物理传感器
应感知并检测出待测对象信息
化学传感器 利用化学反应识别和检测信息 利用生物化学反应识别和检测
生物传感器 信号
举例 压电传感器、温度传感器、光 电传感器、电感传感器、电容 传感器等 气敏传感器、湿敏传感器等 酶传感器、组织传感器、细胞 传感器等
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 6-1-3 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：当油箱中油量减少时，电 压表的示数将________(选填“增大”或“减小”)．
解决含有热敏(光敏)电阻的动态分析问题的思路 (1)应明确热敏(光敏)电阻的电阻特性． (2)根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的性质来分析电路中某一电阻变化而 引起的整个电路中各部分电学量的变化情况． (3)基本流程：R 局→R 总→I 总→U 端→R 局．
霍尔效应的应用 1．霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中．例如用霍尔效应可以确定 一种半导体材料是电子型还是空穴型．半导体内载流子的浓度受温度、杂质以 及其他因素的影响很大，因此霍尔效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了 重要的方法． 2．利用霍尔效应做成的霍尔元件有很多方面的用途：例如测量磁场，测量直流 和交流电路中的电流和功率，转换信号，如把直流转换成交流并对它进行调制， 放大直流或交流信号等．
二、光敏电阻 1．特点：光照越强，电阻越越小． 2．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子少，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，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小 ， 如图 6-1-1 甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线．
(3)实验结论：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，而且阻值的变化是非线性 的． 2．光敏电阻特性验证实验设计 (1)实验器材：光敏电阻、多用电表、导线、开关． (2)实验步骤 ①用多用电表欧姆挡两表笔与光敏电阻两端连接，测光敏电阻值如图 6-1-6 所 示；
图 6-1-6
②手张开(或用黑纸)放在光敏电阻上，挡住部分光线，再测光敏电阻的阻值； ③全部挡住光线，再测光敏电阻的阻值． (3)实验结论：光敏电阻的阻值随光照强度的减弱而增大，而且阻值的变．热敏电阻特性验证实验设计 (1)实验器材：热敏电阻、烧杯(备有冷、热水)、温度计、铁架台、多用电表、 开关、导线．
(2)实验步骤 ①如图 6-1-5 所示，将一个热敏电阻连入电路中，用多用电表欧姆挡测其电阻， 记录温度、电阻值；
图 6-1-5 ②将热敏电阻放入装有少量冷水并插入温度计的烧杯中，记录温度、电阻值； ③分几次向烧杯中倒入热水，观察不同温度下热敏电阻的阻值； ④根据实验数据说明热敏电阻随温度变化的情况．
2．传感器的工作原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等， 而它输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微 弱的，通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作．传感器的工作 原理如下所示： 非电学量 → 敏感元件 → 转换器件 → 转换电路 → 电学量
传感器及其工作原理
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(通常是电电压压、电流等电学量)，或 转换为电路的通通断断的元件．
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量、传输、处理和控制． 3．注意 (1)传感器的发展十分迅速，其品种已达数万种，我们学习了解的只是最基本的 几种而已． (2)不能认为传感器输出的一定是电信号．
[说明] 霍尔电压的推导 设上图中 MN 方向长度为 l2，则 qUl2H＝qvB. 根据电流的微观解释，I＝nqSv， 整理后，得 UH＝nIqBd.令 k＝n1q，则 UH＝kIdB. UH 与 B 成正比，因此霍尔元件能把磁学量转换成电学量．
传感器的原理和分类 1．传感器的核心元件 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被测量 成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等． (2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出 的物理量转换成电学量输出． (3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、 电流等．
(多选)如图 6-1-7 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
图 6-1-7
【解析】 当照射光强度增大时，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 增大知，R2 两端电压必减小，则 R2 中电流减小，故 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． 【答案】 ABC
图 6-1-2
2．工作原理：在 E、F 间通入恒定的电流 I, 同时外加与薄片垂直的磁场 B，则 薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下，向着与电流和磁场都垂直 的方向漂移， 使 M、N 间出现了电压，称为霍尔电压 UH. 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 I 恒定，则 UH 的变化就与 B 成正比． 4．作用：把磁感应强强度度这个磁学量转换为电压压这个电学量．
(多选)如图 6-1-9 所示为某霍尔元件的工作原理示意图，该元件中电流 I
由正电荷的定向运动形成．下列说法正确的是( )
A．M 点电势比 N 点电势高
B．用霍尔元件可以测量地磁场的磁感应强度
C．用霍尔元件能够把磁学量转换为电学量 D．若保持电流 I 恒定，则霍尔电压 UH 与 B 成正比
图 6-1-9
【解析】 当正电荷定向运动形成电流时，正电荷在洛伦兹力作用下向 N 极聚 集，M 极感应出等量的负电荷，所以 M 点电势比 N 点电势低，选项 A 错误； 根据霍尔元件的特点可知，选项 B、C 正确；因霍尔电压 UH＝kIdB，保持电流 I 恒定时，霍尔电压 UH 与 B 成正比，选项 D 正确． 【答案】 BCD
金属导体
优点
灵敏度好
化学稳定性好，测温范围大
作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
[注意] 在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)
热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．
四、霍尔元件 1．构造：如图 6-1-2 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，就成为一个霍尔元件．
甲乙 图 6-1-1
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 6-1-1 乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．
3．热敏电阻与金属热电阻的区别
热敏电阻
金属热电阻
电阻随温度的变化而变化且非 特点
常明显
电阻率随温度的升高而增大
制作材料
半导体