高中物理 6.1传感器及其工作原理课件 新人教版选修32.ppt

目标定位1 知道什么是传感器 理解传感器的工作原理 2 掌握制作传感器的常用元件 光敏电阻 热敏电阻 金属热电阻 霍尔元件等的基本特性及工作原理 3 初步掌握各种常用元件的简单应用 第1讲传感器及其工作原理 一 什么是传感器1 定义 感受非电学量 并能把它们按照一定的规律转换为或转换为电路的的一类元件 2 工作原理 电学量 非电学量 传感器 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量 通断 二 光敏电阻1 特点 电阻值随光照增强而 2 原因分析 光敏电阻由材料制成 无光照时 载流子极少 导电性能 随着光照的增强 载流子增多 导电性 3 作用 把光照强弱这个光学量转换为这个电学量 减小 半导体 不好 变好 电阻 三 热敏电阻和金属热电阻 减小 增大 电阻 四 霍尔元件1 组成 在一个很小的矩形半导体薄片上 制作4个电极e f m n 就成为一个霍尔元件 2 原理 e f间通入恒定的电流i 同时外加与薄片垂直的磁场b时 薄片中的载流子就在作用下 向着与电流和磁场都垂直的方向漂移 使m n间出现 如图1所示 图1 洛伦兹力 电压 3 作用 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为这个电学量 电压 想一想如图1所示 霍尔元件中m n间的电压uh如何计算 在图中设e f间通入的电流恒为i 外加磁场为b 薄片厚度为d 单位体积内载流子数为n 单个载流子所带电荷量为q 答案该霍尔元件中的载流子受到磁场力作用发生偏转 造成半导体内部出现电场 载流子同时受到电场力作用 当磁场力与电场力平衡时 mn间电势差达到稳定 且有 再根据电流的微观解释i nqsv s ld 一 对传感器的正确理解1 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 而它输出的大多是电学量 如电压 电流 电荷量等 这些输出信号是非常微弱的 一般要经过放大处理后 再通过控制系统产生各种控制动作 2 在分析传感器时要明确 1 核心元件是什么 2 是怎样将非电学量转化为电学量的 3 是如何显示的或如何控制开关的 例1关于传感器 下列说法正确的是 a 光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的b 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的c 传感器是将非电学量转变为电学量的装置d 以上说法都不正确 ac 二 常见的传感器1 光敏电阻 1 特点 阻值随光照强度的增大而减小 2 机理 光敏电阻一般由半导体材料做成 当半导体材料受到光照时 会有更多的电子获得能量成为自由电子 同时也形成更多的空穴 导电性能变好 电阻变小 2 热敏电阻 1 特点 热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关 温度变化 阻值有明显变化 2 分类 由半导体材料制成 其导电性能对温度的变化很敏感 热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类 正温度系数热敏电阻 负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻 正温度系数的热敏材料 ptc 它的电阻随温度上升而增加 负温度系数的热敏材料 ntc 它的电阻随温度的上升而下降 临界温度系数的热敏材料 ctc 它的电阻在很小的温度范围 临界 内急剧下降 3 金属热电阻特点 电阻率随温度的升高而增大 电阻随温度的升高而增大 4 霍尔元件霍尔电势高低的判断方法 由左手定则判断带电粒子的受力方向 如果带电粒子是正电荷 则拇指所指的面为高电势面 如果是负电荷 则拇指所指的面为低电势面 但无论是正电荷还是负电荷 四指指的都是电流方向 即正电荷定向移动的方向 负电荷定向移动的反方向 在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷 例2下列有关电阻应用的说法中 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 金属热电阻随温度升高而减小 解析由热敏电阻 光敏电阻 金属热电阻的特性和用途知a b c正确 d错误 d 图2 例3在信息技术高速发展 电子计算机广泛应用的今天 担负着信息采集任务的传感器在自动控制 信息处理技术中发挥着越来越重要的作用 其中热电传感器是利用热敏电阻将热信号转换成电信号的元件 某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中 安装好如图2所示装置 向杯内加入冷水 温度计的示数为20 多用电表选择适当的倍率 读出热敏电阻的阻值r1 然后向杯内加入热水 温度计的示数为60 发现多用电表的指针偏转角度较大 则下列说法正确的是 a 应选用电流挡 温度升高换用大量程测量b 应选用电流挡 温度升高换用小量程测量c 应选用欧姆挡 温度升高时换用倍率大的挡d 应选用欧姆挡 温度升高时换用倍率小的挡 解析多用电表与热敏电阻构成的回路中未接入电源 故不能用电流表 a b均错 当温度升高时 选用欧姆挡的多用电表指针偏转角度较大 说明热敏电阻的阻值变小了 应该换用倍率小的欧姆挡 c错误 d正确 答案d 例4如图3所示 有电流i流过长方体金属块 金属块宽为d 高为b 有一磁感应强度为b的匀强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 问 金属块上 下表面哪面电势高 电势差是多少 图3 解析因为自由电荷为电子 运动方向与电流方向相反 故由左手定则可判定向上偏 则上表面聚集负电荷 下表面带等量的正电荷 故下表面电势高 设其稳定电压为u 当运动的自由电子所受电场力与洛伦兹力平衡时 有e evb 因为导体中的电流i nesv nev bd 故u 对传感器的理解1 用遥控器调换电视机频道的过程 实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程 下列属于这类传感器的是 a 红外报警装置b 走廊照明灯的声控开关c 自动洗衣机中的压力传感装置d 电饭煲中控制加热和保温的温控器 解析遥控器是利用红外线传输信号的 故a项正确 a 光敏电阻的特性2 如图4所示 电源两端的电压恒定 l为小灯泡 r为光敏电阻 led为发光二极管 电流越大 发出的光越强 且r与led间距不变 闭合开关s后 下列说法中正确的是 a 当滑动触头p向左移动时 l消耗的功率增大b 当滑动触头p向左移动时 l消耗的功率减小c 当滑动触头p向右移动时 l消耗的功率可能不变d 无论怎样移动滑动触头p l消耗的功率都不变 图4 解析当滑动触头p向左移动时 使其电阻减小 则流过二极管的电流增大 从而发光增强 使光敏电阻r的阻值减小 通过灯泡l的电流增大 则l消耗的功率增大 a正确 b d错误 当滑动触头p向右移动时 可分析出l消耗的功率变小 c错误 答案a 3 如图5所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图 现在把杯中的水由冷水变为热水 关于欧姆表的读数变化情况正确的是 a 如果r为金属热电阻 读数变大 且变化非常明显b 如果r为金属热电阻 读数变小 且变化不明显c 如果r为热敏电阻 用半导体材料制作 读数变化非常明显d 如果r为热敏电阻 用半导体材料制作 读数变化不明显 图5 热敏电阻的特性 解析若为金属热电阻 温度升高后 电阻变大 读数变化不明显 a b错误 若为热敏电阻 读数将明显变化 c对 d错 答案c 霍尔元件原理分析及应用4 如图6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 相对于一个霍尔元件d k为定值 如果保持