高中物理 5.15.2 揭开传感器的“面纱”常见传感器的工作原理课件 鲁科版选修32.ppt

第5章传感器及其应用 第1节揭开传感器的 面纱 第2节常见传感器的工作原理 1 2 3 4 1 什么是传感器 1 定义 能够把非电学量按照一定的规律转换成电信号的器件或装置 2 意义 利用传感器可以方便地进行测量 控制等 练一练 多选 下述仪器或装置用到传感器的有 a 自动报警器b 电子台秤c 电视遥控器d 红外线探测仪解析 本题考查传感器的概念 关键是了解题中各装置的工作原理 选项a b c d中的仪器或装置的作用都是将非电学量转换为电学量 因此都用到了传感器 答案 abcd 1 2 3 4 2 种类繁多的传感器 1 种类 按传感器工作原理的不同传感器分为物理传感器 化学传感器和生物传感器 2 传感器的结构 非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量 1 2 3 4 练一练关于物理传感器 化学传感器和生物传感器的下列说法中 正确的是 a 物理传感器利用材料的某种物理性质工作 因而只能用于机械加工行业不能用于化工领域b 化学传感器利用某种化学反应来工作 因而只能输出某种化学物质而不能输出电学量c 生物传感器的适用范围广 可在任意温度条件下工作d 生物传感器由于含有生命物质 因而对使用传感器的环境条件有一定的要求解析 不论哪种传感器都可以将非电学量转化成电学量输出 故选项b错误 物理传感器在化工领域也可以使用 如温度传感器等 故选项a错误 生物传感器能够使用的前提是感受器中的生命物质保持生物活性 故选项c错误 选项d正确 答案 d 1 2 3 4 3 光电传感器的原理 1 光电传感器原理 把光信号转换成电信号的器件或装置 2 光敏电阻 光敏电阻器是用金属硫化物等半导体材料制成的 特点 光照越强 电阻越小 光敏电阻器一般用于光的测量和光的控制 1 2 3 4 4 探究温度传感器的原理 1 温度传感器原理 将温度变化转换为电学量变化的装置 2 热敏电阻 ntc热敏电阻的阻值随温度升高而减小 ptc热敏电阻的阻值随温度的升高而增大 探究一 探究二 探究一传感器的工作原理及分类问题导引电饭煲为什么能自动加热和保温食物而不会把食物烧焦 为什么电梯的两门靠拢接触到人体时 门又会自动打开而不会夹伤人 电冰箱的工作为什么能自动控制 为什么机器人能代替人完成各种复杂的劳动 你能回答上述问题吗 提示这一切问题的解决都归功于 传感器 探究一 探究二 名师精讲1 传感器的构造传感器主要由敏感元件 转换元件及转换电路组成 各部分的作用如下 1 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 2 转换元件 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 3 转换电路 将转换元件输出的不易测量的非电学量 如力 温度 位移 浓度 速度 酸碱度等 转换成易于测量的电学量 如电压 电流 电阻等 探究一 探究二 2 传感器的原理传感器感受的通常是非电学量 如力 温度 位移 浓度 速度 酸碱度等 而输出的通常是电学量 如电压 电流 电荷量等 这些输出的信号是非常微弱的 通常需要经过放大后 再送给控制系统产生各种控制动作 传感器的原理如图所示 非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量 探究一 探究二 探究一 探究二 特别提醒不同的传感器的原理不同 但都是通过敏感元件把非电学量的变化转变为电学量的变化 探究一 探究二 例题1全面了解汽车的运行状态 速度 水箱温度 油量 是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一 为模仿汽车油表原理 自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置 如图所示 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 小阳同学在装置中使用了一只电压表 图中没有画出 通过观察电压表示数 可以了解油量情况 你认为电压表应该接在图中的两点之间 按照你的接法请回答 当油箱中油量减少时 电压表的示数将 填 增大 或 减小 探究一 探究二 思路 滑动变阻器的连接方式 电阻变化 电流变化 电压变化解析 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 且当r r时 ur ir可视为ur与r成正比 所以电压表应接在b c之间 当油量减少时 电压表示数将增大 答案 b c增大反思电学量具有便于控制 放大 衰减 波形整理 显示 储存 远距离传输等技术方面的优点 尤其是将电学量与计算机技术结合 可以方便地实现信息的采集 处理 输出的自动化和智能化 所以现代信息技术与自动控制中常将非电学量转化成电学量进行信息收集 探究一 探究二 变式训练1 若电路连接如图所示 则油量减少时 电压表示数如何变化 解析 油量减少 浮标下沉 滑动变阻器金属滑片上移 阻值减小 电压表示数减小 答案 减小 探究一 探究二 探究二光敏电阻和热敏电阻的特性问题导引随着科技的日新月异 体温计从最传统的温度计发展到红外线前额式测温仪 方便程度已经有了很大的提高 清晰的液晶显示 额温型红外线体温计轻便易携带 既缩短了测量时间也使整个测量过程更卫生及更安全 最快只需1秒 温度立刻被测量出来 那么该体温计的测温原理是怎样的 提示所有物体均向外辐射红外线 且不同温度的物体辐射的红外线不同 探究一 探究二 名师精讲1 光敏电阻 1 电阻的特性 光敏电阻是利用半导体材料制成的 在被光照射时电阻发生变化 即随照射光强度的增加而减小 2 电阻阻值变化的原因 半导体材料受到的光照增强时 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 即载流子数增多 于是导电性明显地增强 电阻减小 探究一 探究二 2 热敏电阻 1 电阻的特性 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阻值增大 负温度系数的热敏电阻随温度升高阻值减小 2 电阻阻值变化的原因 对于负温度系数的热敏电阻 温度升高时 有更多的电子获得能量成为自由电子 同时空穴增多 即载流子数增多 于是导电性明显地增强 阻值减小 探究一 探究二 3 负温度系数的热敏电阻与金属热电阻的区别 探究一 探究二 例题2 多选 在温控电路中 通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制 如图所示电路 r1为定值电阻 r2为半导体热敏电阻 温度越高电阻越小 c为电容器 当环境温度降低时 a 电容器c的电荷量增大b 电压表的读数增大c 电容器c两板间的电场强度减小d r1消耗的功率增大思路 r2变化 r总变化 i总变化 u端变化 ur2变化 探究一 探究二 解析 当环境温度降低时 r2变大 电路的总电阻变大 由知i变小 又u e ir 电压表的读数u增大 选项b正确 又由u1 ir1及p1 i2r1可知u1变小 r1消耗的功率p1变小 选项d错误 电容器两板间的电压u2 u u1 u2变大 由电场强度 q cu2可知q e 都增大 故选项a正确 选项c错误 答案 ab反思解决热敏电阻相关问题的方法 1 明确热敏电阻如何变化 2 利用闭合电路的欧姆定律及串并联电路特点分析 探究一 探究二 变式训练2 在例题2中若将热敏电阻r2换为光敏电阻 则光照增强时 电压表的读数及r1的功率如何变化 解析 光照增强时 光敏电阻减小 其分析过程与例题2解析恰好相反 故电压表读数减小 r1消耗的电功率增大 答案 电压表读数减小 r1消耗的电功率增大 12345 1 关于传感器的下列说法正确的是 a 所有传感器都是由半导体材料做成的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 以上说法都不正确解析 半导体材料可以制成传感器 其他材料也可以制成传感器 所以选项a错误 选项b正确 传感器不但能感知电压的变化 还能感受力 温度 光 声 化学成分等非电学量的变化 所以选项c错误 答案 b 12345 2 下列说法正确的是 a 凡将非电学量转化为电学量的传感器都是物理传感器b 湿敏传感器只能是物理传感器c 物理传感器只能将采集到的信息转化为电压输出d 物理传感器利用的是物质的物理性质和物理效应解析 各种传感器虽然工作原理不同 但基本功能相似 多数是将非电学量转化为电学量 故选项a错误 湿敏传感器为化学传感器 故选项b错误 传感器既可将信息转化为电压输出 也可转化为电流 电阻等输出 故选项c错误 由物理传感器定义知选项d正确 答案 d 12345 3 许多楼道照明灯具有这样的功能 天黑时 出现声音它就开启 而在白天 即使有声音它也没有反应 它的控制电路中可能接入的传感器是 温度传感器 光传感器 声音传感器 热传感器a b c d 解析 能感知声音和光照情况 说明电路中接入了光传感器和声音传感器 故选项b正确 答案 b 12345 4 多选 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解析 当照射光强度增大时 r3变小 r3与l串联再与r2并联的总电阻r变小 因为 所以i变大 r1两端电压增大 因此电压表示数变大 又因u e ir i变大 所以路端电压变小 并联电路电压变小 流过r2的电流减小 总电流增大 所以流过l和r3的电流增大 小灯泡的功率增大 选项a b c正确 答案 abc 12345 5 用多用电表的欧姆挡观察ntc热敏电阻的特性 如图所示 方法是 将多用电表选择开关置于欧姆挡 再将