物理選修人教新課標(biāo)傳感器及其工作原理課件

1、第六章傳感器第六章傳感器第一節(jié)傳感器及其工作原理第一節(jié)傳感器及其工作原理 1知道什么是傳感器及傳感器的工作原理 2掌握制作傳感器的常用元件的特征(重點(diǎn)) 3在理解傳感器特征的基礎(chǔ)上，掌握各元件的簡單應(yīng)用(難點(diǎn)) 一、什么是傳感器 1定義 感受 量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為量，或轉(zhuǎn)換為電路的的一類元件 2工作原理非電學(xué)非電學(xué)電學(xué)電學(xué)通斷通斷 二、光敏電阻 1特點(diǎn) 電阻值隨光照增強(qiáng)而 2原因分析 光敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，無光照時(shí)，載流子 ，導(dǎo)電性能 ；隨著光照的增強(qiáng)，載流子 ，導(dǎo)電性 3作用 把這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為 這個(gè)電學(xué)量減小減小極少極少不好不好不好不好變好變好光照強(qiáng)弱光照強(qiáng)弱電阻電阻 三

2、、熱敏電阻和金屬熱電阻熱敏電阻金屬熱電阻特點(diǎn)電阻率隨溫度升高而_電阻率隨溫度升高而_制作材料優(yōu)點(diǎn)靈敏度好化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大作用將 這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為 這個(gè)電學(xué)量減小減小增大增大半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬溫度溫度電阻電阻 利用半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理說明氧化錳熱敏電阻的電阻率為什么會(huì)隨溫度的升高而減??？ 提示：溫度越高，半導(dǎo)體中載流子數(shù)目越多，所以導(dǎo)電性能越強(qiáng) 四、霍爾元件 1組成 在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體薄片上，制作4個(gè)電極E、F、M、N，就成為一個(gè)霍爾元件 2原理 E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的磁場B時(shí)，薄片中的載流子就在 力作用下，向著與 和 都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn) (如圖)

3、洛倫茲洛倫茲電流電流磁場磁場電壓電壓 3霍爾電壓 UH ，d為薄片厚度，k為霍爾系數(shù)一個(gè)霍爾元件的d、k為定值，若保持I恒定，則UH就與B成 4作用 把這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為 這個(gè)電學(xué)量正比正比磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度電壓電壓 一、傳感器 1傳感器的作用：能像人的感覺器官那樣感受外界信息，并能按照一定的規(guī)律和要求，把這些信息轉(zhuǎn)換成可用的輸出信息的器件和裝置，叫做傳感器傳感器是各種測量和自動(dòng)控制系統(tǒng)的“感受器官” 2傳感器的特點(diǎn)：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷 3傳感器原理：傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、

4、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作即： 二、光敏電阻 1特點(diǎn)：阻值隨著光照強(qiáng)度的增大而減小 2電阻變化的原因：硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子也增多，導(dǎo)電性能變好，電阻變小 3作用：光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻大小這個(gè)電學(xué)量 4構(gòu)成材料：光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照而溫度升高時(shí)，會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時(shí)也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強(qiáng)。 三、熱敏電阻和金屬熱電阻 1熱敏

5、電阻：用半導(dǎo)體材料制成，其電阻值隨溫度變化明顯，如圖所示為某一熱敏電阻的電阻溫度特性曲線 2熱敏電阻的兩種型號及其特性：熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化而變化的敏感元件在其工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器一般常用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 3熱敏電阻器的分類分類方式類別電阻溫度特性正溫度系數(shù)、負(fù)溫度系數(shù)材料金屬、半導(dǎo)體(單晶、多晶、陶瓷)結(jié)構(gòu)珠狀、片狀、桿狀、膜狀工作方式直熱式、旁熱式工作溫度常溫、高溫、低溫用途測溫、控溫、輻射能(功率)測量、穩(wěn)壓(穩(wěn)輻)等 4金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而

6、增大，這樣的電阻可以制成溫度傳感器，稱為熱電阻 如圖為某金屬導(dǎo)線的電阻溫度特性曲線 【溫馨提示】按熱敏電阻隨溫度變化的規(guī)律，熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)的熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，正溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高，電阻增大，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度升高電阻減小 四、霍爾元件的工作原理 霍爾元件就是利用霍爾效應(yīng)來設(shè)計(jì)的一個(gè)矩形霍爾材料薄片，在其前、后、左、右分別引出一個(gè)電極，如圖所示，沿PQ方向通入電流I，垂直于薄片加勻強(qiáng)磁場B，則在MN間會(huì)出現(xiàn)電勢差U. 五、電容式傳感器 1原理 電容器的電容C取決于極板正對面積S，極板間距離d及極板間電介質(zhì)這幾個(gè)因素，如果某一物理量(如角度、位移x、深度h

7、等)的變化能引起上述某一因素的變化，從而引起電容的變化，那么測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化 2用途 圖(1)是用來測定角度的電容式傳感器，當(dāng)動(dòng)片與定片之間的角度發(fā)生變化時(shí)，引起極板正對面積S的變化，使電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道的變化情況 圖(2)是測定液面高度h的電容式傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極，導(dǎo)線芯外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)，液面高度h發(fā)生變化時(shí)，引起正對面積發(fā)生變化，使電容C發(fā)生變化知道C的變化，就可以知道h的變化情況 圖(3)是測定壓力F的電容式傳感器，待測壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上的時(shí)候，膜片發(fā)生

8、形變，使極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化，知道C的變化，就可以知道F的變化情況 圖(4)是測定位移x的電容式傳感器，隨著電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度發(fā)生變化，電容C發(fā)生變化，知道C的變化，就可以知道x的變化情況關(guān)于干簧管，下列說法正確的是 A干簧管接入電路中相當(dāng)于電阻的作用 B干簧管是根據(jù)熱脹冷縮的原理制成的 C干簧管接入電路中相當(dāng)于開關(guān)的作用 D干簧管是作為電控元件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的 對傳感器的理解 思路點(diǎn)撥：解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn)： (1)干簧管的原理是磁鐵的磁效應(yīng)使兩個(gè)簧片磁化成相反的磁極 (2)干簧管在電路中起到開關(guān)的作用 解析：干簧管能感知磁場，是因?yàn)閮蓚€(gè)簧片由軟磁性材料制成，當(dāng)周圍

9、存在磁場時(shí)，兩個(gè)簧片被磁化，就會(huì)相互吸引，可當(dāng)做開關(guān)來使用，作為控制元件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 答案：CD 【題后總結(jié)】干簧管接入電路，管內(nèi)的兩個(gè)簧片在磁場的作用下控制電路的通斷，起到自動(dòng)控制電路的作用，因此在實(shí)際的生活、生產(chǎn)中有大量的運(yùn)用，如光電報(bào)警器等 【針對訓(xùn)練】 1.下列說法正確的是() A傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù) B干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器 C傳感器不是電視遙控接收器的主要元件 D傳感器是把力、溫度、光、聲、化學(xué)成分轉(zhuǎn)換為電信號的主要工具 答案：BD如圖，R1、R2為定值電阻，L是小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí) A電壓表的示數(shù)增大 BR2中電流強(qiáng)度減小 C小燈泡的功率增

10、大 D電路的路端電壓降低 對光敏電阻的理解 解析： 答案：ABCD 【題后總結(jié)】本題易錯(cuò)點(diǎn)：不明確光照強(qiáng)度增大后，光敏電阻阻值如何變化，以至于無法判斷電路中電流、電壓的分配關(guān)系如何變化 【針對訓(xùn)練】 2.如圖所示，R3是光敏電阻，當(dāng)開關(guān)S閉合后，在沒有光照射時(shí)，a、b兩點(diǎn)等電勢，當(dāng)用光照射電阻R3時(shí)，則() AR3的電阻變小，a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢 BR3的電阻變小，a點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢 CR3的電阻變大，a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢 DR3的電阻變大，a點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢 解析：R3是光敏電阻，當(dāng)有光照射時(shí)電阻變小，R3兩端電壓降減小，故a點(diǎn)電勢將升高，因其他阻值不變，所以a點(diǎn)電勢將高于b點(diǎn)電勢 答案

11、：A 對熱敏電阻特性的理解 在溫控電路中，通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實(shí)現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制如圖所示電路，R1為定值電阻，R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小)，C為電容器當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí) A電容器C的帶電荷量增大 B電壓表的讀數(shù)增大 C電容器C兩板間的電場強(qiáng)度減小 DR1消耗的功率增大答案：答案：AB 【題后總結(jié)】熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別及聯(lián)系 (1)區(qū)別：熱敏電阻和金屬熱電阻的導(dǎo)電性能與溫度的變化關(guān)系不相同，熱敏電阻的導(dǎo)電性能一般隨溫度的升高而增強(qiáng)；金屬熱電阻的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低 熱敏電阻和金屬熱電阻的優(yōu)缺點(diǎn)：熱敏電阻靈敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測量范圍較小；金屬熱電阻的化

12、學(xué)穩(wěn)定性較好；測量范圍較大，但靈敏度較差 (2)聯(lián)系：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠?qū)囟冗@個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量 【針對訓(xùn)練】 3.如圖所示為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感)的IU關(guān)系曲線圖 (1)為了通過測量得到如上圖所示IU關(guān)系的完整曲線，在下圖所示的a和b兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖_ (2)在圖c所示的電路中，電源電壓恒為9 V，當(dāng)給熱敏電阻加熱后，電流表讀數(shù)將_(選填“增大”、“減小”或“不變”) 解析：由于圖中要求測量多組數(shù)據(jù)，所測電壓調(diào)節(jié)范圍較大，且從零開始變化，所以應(yīng)選用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法，故應(yīng)選圖a；熱敏電阻溫度升高時(shí)，其電阻值減小，故干路中的電流增

13、大 答案：(1)a(2)增大 如圖所示，有電流I流過長方體金屬塊，金屬塊寬度為d，高為b，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，試問金屬塊上、下表面哪面的電勢高？電勢差是多少？ 霍爾元件的工作原理 思路點(diǎn)撥：當(dāng)電子在金屬導(dǎo)體中定向移動(dòng)時(shí)，受到的洛倫茲力會(huì)使其在上表面聚集，下表面將有等量的正電荷，在導(dǎo)體中形成電場，由于上表面帶負(fù)電，則電勢低，隨著正、負(fù)電荷不斷地向下、上表面積累，電場增強(qiáng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷所受電場力與洛倫茲力平衡時(shí)，即qEqvB時(shí)，電荷將不再偏移，上、下表面間形成穩(wěn)定電壓答案：答案：(1)evB(2)見解析見解析 如圖所示為測定壓力的電容式傳感器

14、，將平行板電容器、靈敏電流表(零刻度在中間)和電源串聯(lián)成閉合回路，當(dāng)壓力F作用于可動(dòng)膜片電極上時(shí)，膜片發(fā)生形變，引起電容的變化，導(dǎo)致靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)，在對膜片開始施加壓力使膜片電極從圖中的虛線推到圖中實(shí)線位置并保持固定的過程中，靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為(電流從電流表正接線柱入時(shí)指針向右偏) 電容式傳感器的應(yīng)用 A向右偏到某一刻度后回到零刻度 B向左偏到某一刻度后回到零刻度 C向右偏到某一刻度后不動(dòng) D向左偏到某一刻度后不動(dòng)答案：答案：A 【題后總結(jié)】電容式傳感器是應(yīng)用了電容器的電容跟板間距離、正對面積、電介質(zhì)及引起它們改變的因素(如力、位移、壓強(qiáng)、聲音等)的關(guān)系，將這些非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電容器的電容這個(gè)電學(xué)量 【針對訓(xùn)練】 5.如圖所示，是一個(gè)測定液面高度的傳感器，在導(dǎo)線芯的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放在導(dǎo)電液體中，導(dǎo)線芯和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩極，把這兩極接入外電路，當(dāng)外電路中的電流變化說明電容值增大時(shí)，則導(dǎo)電液體的深度h變化為() Ah增大Bh減小 Ch不變 D無法確定 答案：A 誤區(qū)：不能正確認(rèn)識(shí)生活中的傳感器 【典型例題】 在一些星級賓館的洗手間經(jīng)常裝有自動(dòng)干手機(jī)，洗手后將濕手靠近，機(jī)內(nèi)的傳感器