高中物理 第6章 第1节 传感器及其工作原理课件 新人教版选修32.ppt

第六章传感器 同步导学方案 课后强化演练 本章讲述传感器的相关知识 随着科技的发展和社会的进步 传感器的应用已经越来越普及 事实上 在我们的身边就大量地使用着各种各样的传感器 对应学生用书p50 例如 电视机 空调的遥控器装置中使用着光学传感器 唱卡拉ok时使用的话筒是一种将声音信号转换成电信号的传感器 电饭锅 电熨斗 电冰箱中使用着温度传感器等等 传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅速发展起来的高新技术之一 这部分内容也是 课程标准 中 在课程内容上体现时代性 的一个标志 传感器的种类很多 有简单的 也有复杂的 现在大量使用的物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成的 课本中介绍的传感器是一些工作原理和使用方法比较简单的常见的传感器 主要目的是使学生对传感器知识有一个初步的了解 体会物理知识在技术中的应用 本章包括三单元内容 第一单元学习传感器的基本工作原理 学习常见的敏感元件 光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻和霍尔元件的特性及在传感器中的作用 第二单元了解常见传感器 力 声 温度和光传感器在实际中的应用 感受传感技术给人们的生活带来的便利 第三单元是通过传感器的应用实验 获取对自动控制电路设计的感性认识并了解光控开关电路 温度警报器及控制原理 本章重点 理解并掌握传感器的工作原理 使学生加深对常用传感器的认识 本章难点 会用各类传感器 力传感器 声传感器 温度传感器等 设计简单的控制电路 1 重视对传感器原理的分析和研究 如霍尔元件的应用实际上是磁场对运动电荷产生洛伦兹力发生磁偏转所致 类似应用有 磁流体发电机 电磁流量计 速度选择器 质谱仪等 经过一番研究和体验后 对传感器的学习 不仅容易领悟而且印象深刻 对应学生用书p50 2 注意物理方法的学习 学习传感器概念可以采用类比的方法 在生活中 人类通过各种器官 眼 耳 鼻 舌 皮肤等 来感知周围的世界 作出各种判断反应 在自动化系统中 如果把计算机看成 大脑 的话 各种传感器就是 电五官 如 可见 传感器是获取信息的关键环节 3 要熟悉一些敏感元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能 如光敏电阻 热敏电阻 霍尔元件 双金属片 电磁继电器 二极管 斯密特触发器 滑动变阻器的分压作用等 了解它们的工作特点 对分析传感器原理 设计一些控制电路是很有帮助的 4 重视理论联系实际 随着科技的发展和社会的进步 传感器的应用已经越来越普及 所以在学习过程中要多留意身边的一些简单的控制电路 一些家用电器的工作原理等等 这样可以帮助理解传感器的原理 培养自己学习的兴趣 第1节传感器及其工作原理 什么是传感器1 传感器传感器是能够感受诸如力 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成为电压 电流等电学量 或转换成为电路通断的元件 2 传感器的组成 敏感元件 相当于人的感觉器官 是传感器的核心部分 是利用材料的某种敏感效应 如热敏 光敏 压敏 力敏 湿敏等 制成的 转换元件 是传感器中能将敏感元件输出的 与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件 转换电路 是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量 如电压 电流 电阻等 3 传感器的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 而它的输出通常是电学量 这些输出信息是非常微弱的 通常要经过放大后 再送给控制系统产生各种控制作用 4 传感器的分类物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质 如电阻 电压 电容 电场 磁场等 发生明显变化的特性制成的 如光电传感器 力电传感器等 化学型传感器是利用能把化学物质的成分 浓度等化学量转换为电学量的敏感元件制成的 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性制成的 用以检测或识别生物体内化学成分的传感器 生物或生物物质主要是指各种酶 微生物 抗体等 分别对应酶传感器 微生物传感器 免疫传感器等等 在分析传感器的作用时要明确 1 核心元件是什么 2 它是怎样将非电学量转化为电学量的 3 它怎样显示或控制开关的 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 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 热敏电阻和金属热电阻 按热敏电阻随温度变化的规律 热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻 正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大 负温度系数的热敏电阻随温度升高电阻减小 霍尔元件1 构造 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 霍尔效应的原理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 4 霍尔效应的应用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 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 电容式传感器1 原理电容器的电容c取决于极板正对面积s 极板间距离d及极板间电介质这几个因素 如果某一物理量 如角度 位移x 深度h等 的变化能引起上述某一因素的变化 从而引起电容的变化 那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化 2 常见电容式传感器 光电转换 光敏电阻的应用 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 分析 r3的变化 r并变化 r总变化 i总变化 u端变化 各电流 电压的变化 解析 当光强度增大时 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 答案 abc 方法总结 1 光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小 2 光敏电阻阻值的变化可以引起电路中其他物理量的变化 通过分析电路解决问题 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分别与光敏电阻rt的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的中央 若用不透光的黑纸将rt包裹起来 表针将向 选填 左 或 右 转动 若用手电筒光照射rt 表针将向 选填 左 或 右 转动 解析 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 指针左偏 若用手电筒光照射rt 电阻减小 指针右偏 答案 左右 热电转换 热敏电阻的应用 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 下列描述正确的是 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 解析 r2与灯l并联后与r1串联 与电源构成闭合电路 当温度降低时 电阻r2增大 外电路电阻增大 外电路电压增大 电流表读数减小 r1两端电压减小 灯l电压增大 灯泡亮度变强 故c正确 其余各项均错 故选c 答案 c 方法总结 1 热敏电阻其阻值随温度的变化而变化 有的随温度的升高而增大 ptc元件 有的随温度的升高而减小 ntc元件 2 温度变化引起电阻阻值变化 从而改变电路中的电流或电压 如图甲为半导体材料做成的热敏电阻随温度变化的曲线 用该热敏电阻和继电器做成温控电路 如图乙所示 1 简要分析温控电路的工作过程 2 设继电器的线圈电阻为50 继电器线圈中的电流大于或等于20ma时 继电器的衔铁被吸合 左侧电源的电动势为6v 内阻可以不计 试问温度满足什么条件时 右侧的小灯泡会发光 答案 见解析 磁电转换 霍尔效应现象 如图所示是霍尔元件的工作原理示意图 如果用d表示薄片的厚度 k为霍尔系数 对于一个霍尔元件d 为定值 如果保持电流i恒定 则可以验证uh随b的变化情况 以下说法中正确的是 a 将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时 uh将变大b 在测定地球两极的磁场强弱时 霍尔元件的工作面应保持水平c 在测定地球赤道上的磁场强弱时 霍尔元件的工作面应保持水平d 改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角 uh将发生变化 解析 了解霍尔元件的工作原理是分析该题的关键 应知道霍尔元件电流 电压稳定时 载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡 答案 abd 方法总结 解决磁电转换问题的基本思路 1 明确磁场方向 2 明确载流子的电性及运动方向 3 据左手定则判断载流子偏转方向 4 求极板间的电压和确定极板的正负 5 据闭合电路的欧姆定律求解 如图所示 一块通电的铜板放在磁场中 板面垂直于磁场 板内通有如图方向的电流 a b是铜板左 右边缘的两点 则 a 电势 a bb 电势 b ac 电流增大时 a b 增大d 其他条件不变 将铜板改为nacl水溶液时 电势结果仍然一样 答案 bc 电容式传感器的应用电容式话筒的保真度比动圈式话筒好 其工作原理如图所示 q是绝缘支架 薄金属膜m和固定电极n形成一个电容器 被直流电源充电 当声波使膜片振动时 电容发生变化 电路中形成变化的电流 在膜片向右运动的过程中 a 电容变大b 电容变小c 导线ab中有向左的电流d 导线ab中有向右的电流 答案 ac 如图为测定压力的电容式传感器 将平行板电容器 灵敏电流表 零刻度在中间 和电源串联成闭合回路 当压力f作用于可动膜片电极上时 膜片发生形变 引起电容的变化 导致灵敏电流表指针偏转 在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中 灵敏电流表指针偏转情况为 电流从电流表正接线柱流入时指针向右偏 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动d 向左偏到某一刻度后不动 答案 a 1 2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家 以表彰他们发现 巨磁电阻效应 基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术 被认为是纳米技术的第一次真正应用 在下列有关其他电阻应用的说法中 错误的是 a 热敏电阻可应用于温度测控装置中b 光敏电阻是一种光电传感器c 电阻丝可应用于电热设备中d 电阻在电路中主要起到通过直流 阻碍交流的作用解析 热敏电阻对温度很敏感 光敏电阻对光照很敏感 电阻丝可用于电加热 这很常见 所以a b c三个说法均正确 交流电 直流电均可通过电阻 电阻对它们均可产生阻碍作用 所以d错误 答案 d 2 霍尔元件能转换哪个物理量 a 把温度这个热学量转换成电阻这个电学量b 把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量c 把力这个力学量转换成电压这个电学量d 把光照强弱这个光学量转换成电阻这个电学量 答案 b 3 传感器是把非电学量 如温度 速度 压力等 的变化转换为电学量变化的一种元件 在自动控制中有着广泛的应用 如图所示是一种测量液面高度h的电容式传感器的示意图 从电容c大小的变化就能反映液面的升降情况 关于两者关系的说法中正确的是 a c增大表示h减小b c减小表示h增大c c减小表示h减小d c的变化与h变化无直接关系 解析 由题意可知 导电芯和导电液体组成的电容器 只能改变两板的正对面积 电容与正对面积成正比 如果h上升 相当于增大正对面积 从而导致电容的增大 故c正确 答案 c 4 2013 郑州高二检测 如图所示是一自动控制电路示意图 r1为光敏电阻 当照射到r1处的光消失时 电流表 中的电流i及ab间的电压u的变化情况是 a i变大 u变小b i变大 u变大c i变小 u变大d i变大 u变小 解析 当照射到光敏电阻上的光消失时 光敏电阻阻值增大 通过的电流变小 通过r2的电流增大