2019-2020学年高中物理 第六章 第1节 传感器及其工作原理课件 新人教版选修3-2

第六章传感器第1节传感器及其工作原理第六章传感器1.知道什么是传感器及传感器的工作原理．2.掌握制作传感器的常用元件的特征．(重点)3．在理解传感器特征的基础上，掌握各元件的简单应用．(难点)【基础梳理】一、什么是传感器1．定义：能够感受力、温度、光、声、化学成分等_________，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等_______，或转换为电路的_____的元件．2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行_____、传输、处理和控制．非电学量电学量通断测量二、光敏电阻1．特点：光照越强，电阻_____．2．原理：无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，_______变好．(载流子：电路中做定向移动形成电流的微粒)3．作用：把光照强弱这个光学量转换为_____这个电学量．越小导电性电阻三、热敏电阻和金属热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_____电阻率随温度升高而_____制作材料半导体金属优点灵敏度好化学稳定性好，测温范围___作用将_____这个热学量转换为_____这个电学量减小增大大温度电阻四、霍尔元件1．构造：很小的矩形_______薄片上，制作四个电极E、F、M、N.半导体2．霍尔电压：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的______，则M、N间出现霍尔电压UH，UH＝____．3．作用：把___________这个磁学量转换为电压这个电学量．磁场BkIBd磁感应强度【自我检测】判断正误(1)传感器可以把非电学量转化为电学量．()(2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大．()(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低．()(4)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出．()√×××探究思考为解决楼道里的照明问题，在楼道内安装一个传感器与控制电灯的电路连接．当楼道内有人走动而发出声响时，电灯即与电源接通而发光，这种传感器是什么传感器，它的输入、输出信号各是什么？提示：它是声电传感器，输入的是声信号，输出的是电信号．传感器的原理和应用1．传感器的组成和工作流程(1)传感器的组成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：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．③转换电路：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．(2)传感器的工作流程非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量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，再传送给控制系统产生各种控制动作．3．在理解传感器的原理时要注意以下三点第一，明确传感器所采用的核心部分是什么．第二，传感器的输入量是什么．第三，传感器的输出量是什么．如图所示(1)图甲是________的电容式传感器，原理是___________________________________.(2)图乙是________的电容式传感器，原理是__________________________________.(3)图丙是________的电容式传感器，原理是______________________________________.(4)图丁是________的电容式传感器，原理是___________________________________.[思路点拨]电容式传感器的分析依据是平行板电容器电容的决定式C＝εrS4πkd.[解析](1)图甲是测量角度的电容式传感器，其原理是当动片旋进的角度不同时，电容器的正对面积不同，电容不同．(2)图乙是测量液体深度的电容式传感器，其原理是导电液体相当于电容器的一个极板，当液体深度发生改变时，相当于两极板的正对面积发生改变，电容也随之改变．(3)图丙是测量压力的电容式传感器，其原理是当作用在可动电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板间的距离发生改变，电容也发生改变．(4)图丁是测量位移的电容式传感器，其原理是电介质板和物体固定在一起，当物体发生一小段位移时，插入两极板间的电介质发生变化，导致电容发生变化．[答案]见解析电容式传感器中的电容C＝εrS4πkd，电容的大小由εr、S、d三个量决定，当其中一个量变化时，电容变化，引起串并联电路中电流或电压发生变化．分清哪个量发生变化引起了电容的变化，是解决电容式传感器问题的关键．(多选)家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钡等导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的关系如图所示．由于这种特性，PTC元件具有发热、控温双重功能，若电热灭蚊器环境温度低于t1，以下判断正确的是()A．通电后，其电功率先增大后减小B．通电后，其电功率先减小后增大C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1～t2间的某一值不变解析：选AD.从图线上可以看出，如果通电前PTC的温度tt1，通电后由于发热的缘故，温度升高致使电阻率减小，发热功率将进一步增大，形成正反馈效应，致使温度大于t1，随着温度的升高，电阻率也增大，功率将减小，形成负反馈效应，发热功率的减小制约了温度的进一步升高．从以上分析可知，tt1时，温度会升高；tt2时，温度会降低．故温控点在t1～t2，即温度保持在t1～t2间的某一值．综上分析可知，本题的正确选项是A、D，即温度控制点在图象的两个极值点之间．对几种传感器元件特性的理解1．光敏电阻的导电特性：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，于是导电性能明显增强．2．热敏电阻和金属热电阻的特点(1)热敏电阻：指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化的电阻．如图线①所示为某热敏电阻的电阻－温度特性曲线．(2)金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，如图线②所示，这样的电阻也可以制作温度传感器．热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好．3．霍尔元件(1)电场的产生：运动的载流子在洛伦兹力作用下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．(2)电压的形成：横向电场对载流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，导体板两侧会形成稳定的电压：UH＝kIBd.UH与B成正比是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因．命题视角1光敏电阻的特性(多选)(2019·苏州中学高二检测)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]光的强度是输入，光敏电阻R3为光敏感元件，同时也是转换器件．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，可知R2两端电压必减小，则R2中电流减小，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，C项正确．[答案]ABC命题视角2热敏电阻的特性如图所示是一火警报警器的一部分电路示意图，其中R2为用半导体热敏电阻(阻值随温度的升高而减小)制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器．当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是()A．I变大、U变大B．I变小、U变小C．I变小、U变大D．I变大、U变小[思路点拨]解答本题时可按以下思路分析：[解析]当R2处出现火情时，R2接入电路的电阻将减小，则此时电路中的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可知：外电路电压将减小，U减小，电路中的总电流增大，所以R1上的电压增大，R3两端的电压将减小，电流I减小，B正确．[答案]B命题视角3霍尔元件的特性如图所示，电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为h，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，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？[思路点拨](1)金属导体中自由电荷是什么？(2)自由电荷在图示磁场中所受洛伦兹力方向如何？[解析]因为载流子是自由电子，根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向(即电流方向)，拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，则上表面积累负电荷，下表面就积累多余等量的正电荷，即下表面的电势高．当电场力与洛伦兹力平衡时，上、下表面的电压稳定，即eE场＝eUh＝evB又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd联立方程得U＝IBned.[答案]下表面的电势高IBned(1)解决含有热敏电阻和光敏电阻的电路动态分析问题时，首先要明确两种元件阻值大小的变化规律，然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况．(2)在霍尔现象中要明确定向移动的电荷是哪种电荷，才能分清电势的高低，负电荷向某一方向定向移动与正电荷向相反方向定向移动不等效．