物理选修人教新课标传感器及其工作原理精品PPT课件

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BR2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()AR1两端的电压增大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abB电势baC电流增大时，|ab|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()AC增大表示h减小BC减小表示h增大CC减小表示h减小DC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()AI变大，U变小BI变大，U变大CI变小，U变大DI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，电流表中电流I变大由光敏电阻阻值增大可知电源的输出电流减小，ab之间的电压U增大，故正确答案为B.答案：B,4.(2013郑州高二检测)如图所示