高中物理 第3章 第1、2节 传感器 温度传感器和光传感器课件 教科版选修32.ppt

第三章 传感器 目标定位 1 知道传感器的定义 理解其工作原理 2 了解热敏电阻 敏感元件的特性 3 了解几种温度传感器及光传感器的原理 学案1传感器温度传感器和光传感器 知识探究 自我检测 在现代生活中 我们时刻能感受到自动控制带给我们的便利 如马路上的路灯夜晚发光 白天自动熄灭 当你走近自动门时它会自动打开 当你离开时它会自动关闭 电冰箱启动后 会自动控制压缩机工作 使冰箱内保持所设定的低温 这其中的 机关 是什么 答案在这些电路中分别安装了不同的传感器 一 传感器 知识探究 问题设计 要点提炼 1 定义 把被测的 按一定规律转换成与之对应的的器件或装置 2 传感器的结构3 敏感元件能直接感受信息 并把其变换成易于测量的物理量 形成 常见的敏感元件有力敏元件 元件 元件 磁敏元件 气敏元件等 非电信息 电信息 敏感元件 非电 电信号 光敏 热敏 4 处理电路能把微小的信号进行 并除去信号 使敏感元件输出的电信号转变成便于显示 记录 处理和控制的电学量 放大 干扰 二 敏感元件的原理 1 如图1所示 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻rt的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中央 若在rt上擦一些酒精 表针将如何摆动 若用吹风机将热风吹向电阻 表针将如何摆动 问题设计 图1 答案由于酒精蒸发 热敏电阻rt温度降低 电阻值增大 指针应向左偏 用吹风机将热风吹向电阻rt 电阻rt温度升高 电阻值减小 指针将向右偏 2 如图2所示连接电路 把磁铁靠近或远离干簧管 观察电路中所发生的现象 你认为干簧管起了什么作用 图2 答案把磁铁靠近干簧管时 簧片在磁场的作用下会磁化为异名磁极相对的磁铁 当磁力大于簧片的弹力时 两者紧密地接触 电路连通 灯亮 因此 干簧管串联在电路中就成为一个由磁场控制的开关 要点提炼 1 热敏电阻是用材料制成的 它具有电阻随灵敏变化的特性 可以实现对的测量 2 干簧管是一种能感知的敏感元件 在电路中的作用就是一个的开关 半导体 温度 温度 磁场 由磁场控制 三 温度传感器 如图3所示为电熨斗的构造 其中双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层金属 问题设计 图3 1 常温下 电熨斗的上 下触点应当是接触的还是分离的 当温度过高时双金属片将怎样起作用 答案常温时 电熨斗的上 下触点接触 这样电熨斗接通电源后能进行加热 当温度过高时双金属片膨胀 因上层的热膨胀系数较大 故上层膨胀的厉害 双金属片向下弯曲 弯曲到一定程度后 两触点分离 电路断开 电热丝停止加热 当温度降低后 双金属片恢复原状 重新接通电路加热 2 熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度 熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度 这是如何利用调温旋钮来实现的 答案熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度 也就是要求双金属片弯曲程度较大时 两触点分离 所以应使调温旋钮下旋 反之 熨烫丝绸衣物需要设定较低的温度 应使调温旋钮上旋 要点提炼 1 热双金属片温度传感器是由两种膨胀系数相差的不同金属片焊接或轧制成一体后组成 它对温度的感知表现为热双金属片的 可以用它控制电路的 2 热敏电阻 用材料制成 按热敏电阻阻值随温度变化的规律 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 较大 形变 通断 半导体 1 正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻 2 负温度系数的热敏电阻 如氧化锰热敏电阻 随温度升高电阻 3 金属热电阻 金属的电阻率随温度而增大 利用这一特性 金属丝也可以制作成传感器 称为热电阻 4 热敏电阻和金属热电阻都能够把这个热学量转换为这个电学量 金属热电阻的化学稳定性好 测温范围大 但灵敏度较差 增大 减小 升高 温度 温度 电阻 四 光传感器 1 原理 有些金属或半导体材料在电路中受到光照时 产生或 实现信号向信号的转化 2 应用 1 自动门和公共场所的非触摸式自动水龙头利用了传感器 电流 电压 光 电 红外光 2 在环境监测 火灾报警等装置中通常利用工作 3 在工农业生产 交通运输等行业中较多地采用进行转数的测量 光电式转速表 光电式烟尘浓度计 典例精析 一 对传感器的认识 例1如图4是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置 图4 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 1 若把一只电压表接在c d之间 当油箱中油量减少时 电压表的示数将 选填 增大 或 减小 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 当油量减少时 r的数值会增大 电路中的电流会减小 c d间的电压会减小 当把电压表接在c d两点间 电压表示数减小时 表示油量在减少 减小 2 将电压表接在b c之间 当油量减少时 电压表的示数将 选填 增大 或 减小 解析把电压表接在b c之间 油量增加时 r减小 电压表的示数减小 油量减少时 r增大 电压表的示数增大 增大 例2一热敏电阻在温度为80 时阻值很大 当温度达到100 时阻值就很小 今用一电阻丝给水加热 并配以热敏电阻以保持水温在80 到100 之间 可将电阻丝与热敏电阻并联 一并放入水中 如图5所示 图中r1为热敏电阻 r2为电阻丝 请简述其工作原理 二 对热敏电阻的认识及应用 图5 解析开始水温较低时 r1阻值较大 电阻丝r2对水进行加热 当水温达到100 左右时 r1阻值变得很小 r2被短路 将停止加热 当温度降低到80 时 r1阻值又变得很大 r2又开始加热 这样就可达到保温的效果 答案见解析 例3如图6所示为光电式烟尘浓度计的原理图 试说明其工作原理 图6 三 对光传感器的认识及应用 解析光源1发出的光线经半透半反镜3 分成两束强度相等的光线 一束光线直接到达光电转换电路7上 产生作为被测烟尘浓度的参比信号 另一束光线经反射镜4穿过被测烟尘5到达光电转换电路6上 其中一部分光线被烟尘吸收或因散射而衰减 烟尘浓度越高 光线的衰减量越大 到达光电转换电路6的光就越弱 两路光线分别转换成电压信号u1 u2 如果u1 u2 说明被测的光路上没有烟尘 相反 如果u1 u2相差较大 说明烟尘浓度较大 因此可用两者之比 算出被测烟尘的浓度 答案见解析 例4如图7所示 r1 r2为定值电阻 l为小灯泡 r3为光敏电阻 当入射光强度增大时 图7 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 解析当入射光强度增大时 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 即电压表的示数增大 同时内电压增大 故电路的路端电压减小 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 故小灯泡的功率增大 c项正确 答案abc 课堂要点小结 1 2 3 4 自我检测 1 对传感器的认识 关于传感器 下列说法正确的是 a 所有传感器都是由半导体材料制成的b 金属材料也可以制成传感器c 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的d 水银温度计是一种传感器 解析大多数传感器是由半导体材料制成的 某些金属也可以制成传感器 如金属热电阻 故a错 b对 传感器将非电学量转换为电学量 因此传感器感知的应该是 非电信号 故c错 水银温度计能感受热学量 但不能把热学量转化为电学量 因此不是传感器 故d错 答案b 1 2 3 4 1 2 3 4 2 对电容式传感器的认识 电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置 由于电容器的电容c取决于极板正对面积s 极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素 当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化 从而又可推出另一物理量的值 如图8所示是四种电容式传感器的示意图 关于这四种传感器的作用 下列说法不正确的是 1 2 3 4 图8 1 2 3 4 a 甲图的传感器可以用来测量角度b 乙图的传感器可以用来测量液面高度c 丙图的传感器可以用来测量压力d 丁图的传感器可以用来测量速度 1 2 3 4 解析甲图角度变化能导致极板正对面积变化 乙图液面高度变化能导致极板正对面积变化 丙图压力f变化能导致极板间距变化 丁图中位置变化导致电介质变化 所以 甲 乙 丙 丁分别是测角度 液面高度 压力 位移的传感器 故选d 答案d 1 2 3 4 3 对光敏电阻 热敏电阻的认识及电路分析 如图9所示电路中 电源电动势为e 内阻为r rt为负温度系数热敏电阻 rg为光敏电阻 闭合开关后 小灯泡l正常发光 由于环境改变 光照或温度 发现小灯泡亮度变暗 则引起小灯泡变暗的原因可能是 图