高二物理人教版选修3-2同步课件：6-1 传感器及其工作原理

情景切入你知道机器也有“看”“听”“嗅”“摸”的本领吗？是什么使机器具有这种本领呢？在自动化控制、遥控等现代化技术中，是谁充当了机器的感觉器官？本章内容会帮你解开这些谜团．知识导航传感器是将物理中的非电学参量转化为便于测量的电学量的一类元件，其工作过程是按一定规律某一元件对某一物理量敏感，将这一物理量转化为便于利用的信号，如光电传感器利用光敏电阻将光信号转化为电信号，电信号便于与其他仪器连接，进行监测或自动化控制．本章共三节．第一节“传感器及其工作原理”，主要讲述了什么是传感器及制作传感器的常用元件的特征．第二节“传感器的应用”介绍了传感器感受的通常是非电学量，而它输出的大多是电学量，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作．讲述了传感器的应用已经渗透到环境保护、交通运输、航天、军事以及家庭生活等各个领域．第三节“实验：传感器的应用”，主要讲述了传感器在工农业生产中的应用，如光控开关、温度报警器等．本章重点：传感器的工作原理，传感器的应用以及应用控制．本章难点：传感器的应用实例.学法指导本章知识与我们的生活息息相关，在学习过程中既要熟记各种敏感元件的特性，又要结合实例认真体会传感器在实际中的应用，努力培养理论联系实际的能力和动手能力；同时应注意观察身边与传感器有关的例子，并通过查资料或上网了解它们的工作原理，培养自己的观察能力和自学能力．※知道什么是传感器※知道什么是光敏电阻，热敏电阻，金属热电阻以及霍尔元件※了解传感器的工作原理遥感卫星能在高空一览无遗地观测地貌植被；计算机的显示屏上能实时显示远隔千里的画面；机器人能替代人完成各种复杂的劳动(如上图)．这些现代化设备，有的复杂庞大，有的简单精巧，但它们都需要一种装置——传感器来获取信息．那么，什么是传感器？它为什么能获取信息，工作原理又是什么呢？这一节我们就来探究这些问题．1.定义传感器是这样一类元件：它能够感受诸如力、、化学成分等量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的．传感器温度、光、声非电学通断2．工作原理1.特点：电阻值随光照增强而．2．原因分析：光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子，导电性能；随着光照的增强，载流子，导电性．3．作用：光敏电阻能够把这个光学量转换为这个电学量.光敏电阻减小极少不好增多变好光照强弱电阻氧化锰热敏电阻金属热电阻特点电阻率随温度的升高而电阻率随温度的升高而热敏电阻和金属热电阻减小增大氧化锰热敏电阻金属热电阻制作材料________优点灵敏度好化学稳定性好，测温作用将这个热学量转换为这个电学量半导体金属范围大温度电阻1．组成：在一个很小的矩形薄片上，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，向着与电流和都垂直的方向漂移，使M、N间出现(如下图所示)霍尔元件半导体洛伦兹力磁场电压3．霍尔电压：UH＝，d为薄片厚度，k为霍尔系数．一个霍尔元件的d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成比．4．作用：霍尔元件能够把这个磁学量转换为这个电学量．kIBd正磁感应强度电压答案：①能够感受到非电学量，并能按照一定规律转换为电学量或转换为电路通断的元件．②非电学量→敏感元件→转换电路→电学量一、传感器的工作原理1．工作过程：非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量2．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．3．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．4．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．二、常见的传感器元件1．光敏电阻(1)实验探究将一只光敏电阻接到多用电表的两端，电表置于倍率为100的欧姆挡，在室内自然光的照射下，电阻值约为多大？用手掌遮光时，电阻值又是多大？用阳光直接照射呢？①实验现象：同一只光敏电阻，用多用电表测量，用手掌遮光时，电阻值较大，在室内自然光的照射下电阻值变小，改用阳光直接照射时，电阻值变得更小．②实验结论：通过上述实验我们得到：光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小．(2)原因及应用①光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，原因是：硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子也增多，导电性能变好．②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．2.热敏电阻(1)热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显，如图所示为某一热敏电阻——温度特性曲线．(2)热敏电阻的两种型号及其特性热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元件．在其工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．(3)热敏电阻器的分类分类方式类别电阻温度特性正温度系数、负温度系数材料金属、半导体(单晶、多晶、陶瓷)结构珠状、片状、杆状、膜状工作方式直热式、旁热式工作温度常温、高温、低温用途测温、控温、辐射能(功率)测量、稳压(稳幅)等(4)热敏电阻的用途热敏电阻器的用途十分广泛，主要应用于：①利用电阻——温度特性来测量温度，控制温度和元件、器件、电路的温度补偿；②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护的作用；③利用不同媒质热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等；④利用热惯性作为时间延迟器．3．金属热电阻(1)实验探究如下图所示，A、B间接有一段钨丝(从旧日光灯管中取出)，闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时，灯泡的亮度如何变化？①实验现象：灯泡亮度明显变暗．②实验结论：钨丝的电阻随温度的升高而增大．(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻可以制成温度传感器，称为热电阻．如上图为某金属导线的电阻——温度特性曲线．4．霍尔元件(1)霍尔效应如上图所示，厚度为h，宽度为d的导体放在与之垂直的磁感应强度为B的均匀磁场中．当电流通过导体时，在导体的上侧面A与下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应．(2)霍尔元件霍尔元件就是利用霍尔效应来设计的一个矩形半导体薄片，在其前、后、左右分别引出一个电极，如上图所示，沿PQ方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U，使薄片厚度为d，PQ方向长度为l1，MN方向为l2.薄片中的带电粒子受到磁场力作用发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场．带电粒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qUl2＝qvB.再根据电流的微观解释I＝nqSv，整理后，得U＝IBnqd.令k＝1nq，因为n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以U＝kIBd.U与B成正比，这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．5．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θ、位移s、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常见电容式传感器易错点：对问题的本质认识不深而导致错误案例：如下图所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有电流时，导体的上下表面的电势有什么关系(上板为M，下板为N)()A．UMUNB．UM＝UNC．UMUND．无法判断[易错答案]C[易错分析]误认为电子移动的方向是电势升高的方向，出现错误的原因是没有考虑到磁场中的导体本身相当于电源，电源中存在非静电力．本题中的洛伦兹力就是非静电力，正是由于洛伦兹力的存在，所以电子才有可能不断向N板运动，使N板电势不断降低。[正确解答]霍尔效应形成的原因是因为带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用，做定向移动形成的．根据左手定则，电子受到向下的洛伦兹力作用，向N板运动，则M板剩下正电荷，所以UMUN.A项正确．[正确答案]A(2010·江苏启东中学高二期中)某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性．现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等．热敏电阻的特性及应用(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在下图的实物图上连线．(2)实验的主要步骤：①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，________，________，断开开关；③重复第②步操作若干次，测得多组数据．(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得R－t关系图线(如图所示)，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝________＋________t(Ω)(保留3位有效数字)．解析：本题考查考生对基本电路的了解和基本仪器的使用，考查推理能力、实验与探究能力、实际应用能力．(1)如图所示(2)②读取温度计示数，读取电压表示数(3)1000.400根据R＝UI就可解出不同温度下热敏电阻的阻值，并利用图线得出图线的斜率．在图象上取两点，当t1＝10℃时，R1＝104Ω，当t2＝60℃时，R2＝124Ω，R－t图象的斜率为R2－R1t2－t1＝0.400；将图线延长，交于原点，说明t＝0℃时的电阻为100Ω，故R－t关系式为R＝100＋0.400t(Ω)答案：(1)见上图(2)②记录电压表电压值温度计数值(3)100(0.400±0.05)按下图所示连接好电路，合上S，发现小灯泡不亮，原因是____________；用电吹风对热敏电阻吹一会儿，会发现小灯泡____________，原因是____________；停止吹风，会发现____________；把热敏电阻放入冷水中会发现____________．答案：由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁铁磁性较弱吸不住衔铁；变亮，电吹风对热敏电阻加热使其阻值变小，电路中电流增大，电磁铁吸住衔铁；小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高；小灯泡熄灭.把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源按如图甲所示电路连接，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．(①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图乙所示，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁光敏电阻的特性及应用质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下回复到分离状态．)试说明光电报警器的工作原理．解析：当报警器有光照射时，光敏电阻阻值减小，电路中电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态，蜂鸣器电路接通，蜂鸣器发声．反之，当没有光照射或光照很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态，连接蜂鸣器的电路断开，蜂鸣器不发声．(2011·聊城模拟)如下图所示，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答案：ABC解析：当照射光强度增大时，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，同时内电压增大，故电路路端电压减小，电压表的示数增大，A项正确，D项错误；由路端电压减小，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；给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，故C项正确.(2010·黄山高二检测)如下图甲所示是一个霍尔元件，其大小仅为普通发光二极管的五分之一左右．霍尔元件是一个四端元件