高二物理人教版選修課件《傳感器及其工作原理》

1、第第1 1節(jié)傳感器及其工作原理節(jié)傳感器及其工作原理第六章傳感器熱敏電阻器的兩種型號(hào)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)熱敏電阻器熱敏電阻器可按電阻溫度特性、材料、結(jié)構(gòu)、工作方式、工作溫度和用途進(jìn)行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(cè)溫控溫、輻射能(功率)測(cè)量、穩(wěn)壓(穩(wěn)幅)等熱敏電阻器的分類熱敏電阻器的用途十分廣泛，主要應(yīng)用于：利用電

2、阻溫度特性來(lái)測(cè)量溫度、控制溫度和元件、器件、電路的溫度補(bǔ)償；利用非線性特性完成穩(wěn)壓、限幅、開關(guān)、過(guò)流保護(hù)作用；利用不同介質(zhì)中熱耗散特性的差異測(cè)量流量、流速、液面、熱導(dǎo)、真空度等；利用熱慣性作為時(shí)間延遲器1傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能夠把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為_等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為_2光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為_這個(gè)電學(xué)量3熱敏電阻或金屬熱電阻能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為_這個(gè)電學(xué)量4霍爾元件能夠把磁感強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為_這個(gè)電學(xué)量1電壓、電流電路的通斷2電阻3 電阻4 電壓一、傳感器及其原理1傳感器傳感器是這樣一類元件：它能夠感受

3、諸如力、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)換成為電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換成為電路的通斷2傳感器的分類常用傳感器是利用某些物理、化學(xué)或生物效應(yīng)進(jìn)行工作的根據(jù)人測(cè)量的不同，可將傳感器分為物理型、化學(xué)型和生物型三類物理型傳感器是利用被測(cè)量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)(如電阻、電壓、電容、磁場(chǎng)等)發(fā)生明顯變化的特性制成的，如光電傳感器、力學(xué)傳感器等化學(xué)型傳感器是利用能把化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等化學(xué)量轉(zhuǎn)換成為電學(xué)量的敏感元件制成的生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的，用以檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)化學(xué)成分的傳感器，生物或生物物質(zhì)主要是指各種酶、微生物、抗體等，分別對(duì)應(yīng)酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感?/p>

4、、免疫傳感器等等3傳感器的原理傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而它輸出的大多是電學(xué)量，如電壓、電流、電荷量等，這些輸出信號(hào)是非常微弱的，一般要經(jīng)過(guò)放大等處理后，再通過(guò)控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動(dòng)作傳感器原理如下圖所示 二、光敏電阻及其特性 1光敏電阻特性的實(shí)驗(yàn)探究 (1)實(shí)驗(yàn)器材 多用電表、光敏電阻、導(dǎo)線、黑紙、開關(guān) (2)實(shí)驗(yàn)步驟 用多用電表歐姆擋兩表筆與在室內(nèi)自然光照射下的光敏電阻兩端連接，測(cè)光敏電阻阻值電路如上圖所示 用手張開(或用黑紙)放在光敏電阻上，擋住部分光線，測(cè)光敏電阻阻值全部擋住光線，測(cè)光敏電阻阻值將所測(cè)量數(shù)據(jù)填入下表中.光照強(qiáng)度強(qiáng)中弱R/2.光

5、敏電阻的特性根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可得光敏電阻的特性：光敏電阻的電阻隨光照的增強(qiáng)而減小3光敏電阻被光照射電阻變化的原因光敏電阻在被陽(yáng)光照射時(shí)電阻發(fā)生變化，原因是構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好，隨光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性能變好 如下圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻，此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是()A當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓B當(dāng)有光照射R1時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓C信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計(jì)數(shù)一次D信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次解析：每當(dāng)光照射在光敏電阻R1上時(shí)，R1電阻變小，串聯(lián)電路中，R2上的電壓變

6、大，即信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓，A對(duì)當(dāng)信號(hào)處理系統(tǒng)接收到一次低電壓，相應(yīng)計(jì)數(shù)一次，所以此題應(yīng)選A、C.答案：AC變式遷移變式遷移 1.如右圖所示，將多用電表的選擇開關(guān)置于歐姆擋，再將電表的兩支表筆分別與光敏電阻Rt的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的中央若用不透光的黑紙將Rt包裹起來(lái)，表針將向_(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動(dòng)；若用手電筒照射Rt，表針將向_(填“左”或“右”)轉(zhuǎn)動(dòng)解析：光敏電阻受光照越強(qiáng)，電阻越小，所以將Rt用不透光的黑紙包起來(lái)，電阻增大，指針左偏；若用手電筒光照射Rt，電阻減小，指針右偏答案：左右變式遷移變式遷移 三、熱敏電阻及其特性 1熱敏電阻特性的實(shí)驗(yàn)探究 (1)實(shí)驗(yàn)器材 熱敏電

7、阻、多用電表、燒杯(備用冷、熱水)、溫度計(jì)、鐵架臺(tái) (2)實(shí)驗(yàn)步驟 如右圖所示，將一熱敏電阻連入電路中用多用電表歐姆擋測(cè)其電阻，記錄溫度、電阻值 將熱敏電阻放入少量冷水中并將它插入有溫度計(jì)的燒杯中，記錄溫度、電阻值 再分幾次向燒杯中倒入熱水觀察不同溫度下熱敏電阻的阻值 在右圖中，粗略描繪出熱敏電阻的阻值R隨溫度t變化的Rt圖線 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Rt圖線，說(shuō)明熱敏電阻的阻值是否隨溫度變化而均勻變化？次數(shù)待測(cè)量12345t/CR/把測(cè)量到的溫度、電阻值填入下表中 2熱敏電阻 熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可知，其電阻值隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如右圖所示為某一熱敏電阻的電阻值隨溫度

8、變化的特性曲線 3金屬熱電阻 有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻右圖為某金屬導(dǎo)線的電阻溫度特性曲線 注意：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量，但相比而言，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好 如下圖所示，將萬(wàn)用表的選擇開關(guān)置于“歐姆”擋，再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt的兩端相連，這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中間若往Rt上擦一些酒精，表針將向_(填“左”或“右”)移動(dòng)；若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，表針將向_(填“左”或“右”)移動(dòng)解析：若往Rt上擦一些酒精，由于酒精蒸發(fā)吸熱，熱敏電阻Rt溫度

9、降低，電阻值增大，所以電流減少，指針應(yīng)向左偏；用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻，電阻Rt溫度升高，電阻值減小，電流增大，指針向右偏 答案：左右變式遷移變式遷移 2.有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如下圖所示電路中的A、B兩點(diǎn)后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數(shù)，下列說(shuō)法中正確的是() A置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是熱敏電阻 B置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數(shù)不變化，這只元件一定是定值電阻 C用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數(shù)變化較大，這只元件一定是光敏電阻 D用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐

10、姆表示數(shù)相同，這只元件一定是定值電阻解析：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，定值電阻和光敏電阻不隨溫度變化；光敏電阻的阻值隨光照變化而變化，定值電阻和熱敏電阻不隨之變化答案：AC 四、霍爾元件 1霍爾元件 如右圖所示，在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體(例如砷化銦)薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M、N，就成為一個(gè)霍爾元件 說(shuō)明：霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量 2霍爾電壓UHk 說(shuō)明：(1)其中k為比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān) (2)一個(gè)霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比，因此霍爾元件，又稱磁敏元件3霍爾效應(yīng)的原理外部磁場(chǎng)使運(yùn)動(dòng)的載流子受到洛

11、倫茲力，在導(dǎo)體板的一側(cè)聚集，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的另一種電荷，從而形成橫向電場(chǎng)；橫向電場(chǎng)對(duì)電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電力，當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板左右兩側(cè)會(huì)形成穩(wěn)定的電壓，設(shè)上圖中MN方向長(zhǎng)度為l2，則q qvB.根據(jù)電流的微觀解釋Inqsv，整理后，得UH .令k ，因n為材料單位體積的帶電粒子個(gè)數(shù)，q為單個(gè)帶電粒子的電荷量，它們均為常數(shù)，所以UHk .UH與B成正比，這就是為什么霍爾元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原因 電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)量可導(dǎo)電流體(如污水)在管中的流量(即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管內(nèi)橫截面的流體的體積)為了簡(jiǎn)化，假設(shè)流量計(jì)是如下圖所示的橫截面為長(zhǎng)方形的一段管

12、道，其中空部分的長(zhǎng)、寬、高分別為圖中的a、b、c.流量計(jì)的兩端與送流體的管道相連(下圖中虛線)圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料現(xiàn)于流量計(jì)所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于前后兩面當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測(cè)得的電流值已知流體的電阻率為，不計(jì)電流表的內(nèi)阻，則可求得流量為() 解析：本題實(shí)質(zhì)上是有關(guān)磁與電傳感器的計(jì)算題，綜合性強(qiáng)、能力要求高 設(shè)管中流體的流速為v，則在t時(shí)間內(nèi)流體在管中向前移動(dòng)的距離為vt，這樣如圖畫線的流體在t時(shí)間內(nèi)都將流過(guò)橫截面設(shè)此橫截面積為S，則畫線的流體體積VSvt，

13、除以時(shí)間t，則得到流體在該管中的流量為Q Sv.對(duì)于題干所給的流量計(jì)，橫截面積Sbc，故流過(guò)流量計(jì)的流量Qvbc，對(duì)于給定的流量計(jì)，b與c是常量，可見測(cè)流量實(shí)質(zhì)是測(cè)流速當(dāng)可導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)，流量體將切割磁感線，這樣在流量計(jì)的上、下兩面產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EvBc，其中B是垂直于流量計(jì)前后兩面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，c是流過(guò)流量計(jì)流體的厚度，v是可導(dǎo)電流體在流量計(jì)中的速這樣在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，如右圖所示，則將有電流流過(guò)閉合電路這個(gè)閉合電路中的電動(dòng)勢(shì)就是由可導(dǎo)電流體沿流量計(jì)流動(dòng)切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如下圖所示，電阻包括外接的電阻R和可導(dǎo)電流

14、體的電阻r .這樣根據(jù)歐姆定律，得到閉合電路中的電流等于變式遷移變式遷移 3一種半導(dǎo)體材料稱為“霍爾材料”，用它制成的元件稱為“霍爾元件”，這種材料有可定向移動(dòng)的電荷，稱為“載流子”，每個(gè)載流子的電荷量大小為1個(gè)元電荷量，即q1.61019 C，霍爾元件在自動(dòng)檢測(cè)、控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如錄像機(jī)中用來(lái)測(cè)量錄像磁鼓的轉(zhuǎn)速、電梯中用來(lái)檢測(cè)電梯門是否關(guān)閉以及自動(dòng)控制升降電動(dòng)機(jī)電源的通斷等 在一次實(shí)驗(yàn)中，一塊霍爾材料制成的薄片寬a 1.0102 m、長(zhǎng)b 4.0102 m、厚h1103 m，水平放置在豎直向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1.5 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，bc方向通有I3.0 A的電流，如上圖所示，沿寬度產(chǎn)生1

15、.0105 V的橫向電壓(1)假定載流子是電子，a、b兩端中的哪端電勢(shì)較高？(2)薄板上形成電流I的載流子定向運(yùn)動(dòng)的速率多大？解析：(1)根據(jù)左手定則可確定a端電勢(shì)高(2)當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)由于載流子有沿電流方向所在的直線定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，受洛倫茲力作用而產(chǎn)生橫向分運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，橫向電場(chǎng)的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，導(dǎo)體橫向電壓穩(wěn)定設(shè)載流子沿電流方向所在直線定向移動(dòng)的速度為v，橫向電壓為Uab，橫向電場(chǎng)強(qiáng)度為E，電場(chǎng)力為FeEe e，磁場(chǎng)力基礎(chǔ)鞏固基礎(chǔ)鞏固1有一電學(xué)元件，溫度升高時(shí)電阻卻大幅度減小，則這種元件可能是()A金屬導(dǎo)體B絕緣體C半導(dǎo)體 D超導(dǎo)體解析：題中所述四種材料中只有半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而減小，故選C.答案：C能力提升能力提升9如下圖所示：(1)圖甲是_的電容式傳感器，原理是_(2)圖乙是_的電容式傳感器，原理是_(3)圖丙是_的電容式傳感器，原理是_(4)圖丁是_的電容式傳感器，原理是_解析：(1)圖甲是角度的電容式傳感器，其原理是當(dāng)動(dòng)金屬片旋進(jìn)的