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

1传感器及其工作原理学习目标素养提炼1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术的意义．2.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、霍尔元件的工作原理．3.了解传感器的常用元件的特征.物理观念：传感器、光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件．科学思维：(1)体会传感器将非电学量转化为电学量的意义．(2)通过对光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的认识能分析它们的工作原理和在传感器中的应用．科学探究：探究传感器的工作原理.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、传感器1．定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、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：把转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和．电学量通断非电学量控制[思考]火灾探测器的核心元件为光敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号．此时传感器是将什么量进行转化的？提示：传感器是将烟雾产生的光学量转化为电路的电学量，使电路接通，从而对外发出声光报警信号．二、光敏电阻1．特点：光照越强，电阻．2．原理：无光照时，极少，导电性能；随着的增强，载流子，导电性变好．3．作用：把这个光学量转换为这个电学量．越小载流子不好光照增多光照强弱电阻[思考]声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出亮光，这是为什么呢？提示：声控灯全名应该为——声光控灯，声控灯中有光控电路，使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒实际上是声、光同时控制的，在光线充足的情况下灯不会亮，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电．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的升高而制作材料半导体金属优点灵敏度好化学，测温范围大作用将这个热学量转换为这个电学量减小增大稳定性好温度电阻[思考]热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而下降？提示：不是．正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小．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.2．霍尔电压：如图，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＝kIBd.3．作用：把这个磁学量转换为这个电学量．半导体磁场B磁感应强度电压[判断辨析](1)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．()(2)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关．()(3)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．()××√要点一对传感器的认识[探究导入]干簧管结构如图甲所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当磁铁靠近干簧管时：会发生什么现象，为什么？干簧管的作用是什么？提示：灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通；干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器．1．传感器的工作流程和传感器的组成(1)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：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．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．分类(1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器．(2)按传感器工作原理分为：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、热电偶等传感器．(3)按传感器输出信号性质分：输出为开关量(“1”和“0”或“开”和“关”)的开关型传感器；输出为模拟信号的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器．[特别提醒]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)它是怎样显示或控制开关的．[典例1]如图是一种测定油箱油量多少或变化多少的装置．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．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________(选填“增大”或“减小”)．[思路点拨][解析]定值电阻R′和滑动变阻器是串联的，当油箱中的油量减少时，浮标下降，杠杆的左端下降，右端上翘，滑动变阻器连入电路的电阻增大，分担的电压增大，定值电阻分担的电压减小，所以电压表应接在c、d之间与定值电阻并联；油量减少，电压表示数减小．[答案]c、d减小[总结提升]电学量具有便于控制、放大、衰减、波形整理、显示、可储存、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．1．(多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以()A．将力学量(如形变量)转变成电学量B．将热学量转变成电学量C．将光学量转变成电学量D．将电学量转变成力学量解析：传感器是将所感受到的不便于测量的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的物理量(一般是电学量)的一类元件，故选项A、B、C对，选项D错．答案：ABC2.传感器是把非电学量(如速度、温度、压力等)的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用．有一种测量人的体重的电子秤，其测量部分的原理图如图中的虚线框所示，它主要由压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻)、显示体重大小的仪表A(实质是理想的电流表)组成．压力传感器表面能承受的最大压强为1×107Pa，且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示．设踏板和压杆的质量可以忽略不计，接通电源后，压力传感器两端的电压恒为4.8V，g取10m/s2.请回答：压力F/N0250500750100012501500…电阻R/Ω300270240210180150120…(1)该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘________A处．(2)如果某人站在该秤踏板上，电流表刻度盘的示数为20mA，则这个人的体重是________kg.解析：(1)由题图表知，踏板空载时，压力传感器电阻R＝300Ω，此时A中电流I＝UR＝4.8300A＝1.6×10－2A.(2)当电流I＝20mA＝20×10－3A时，压力传感器的电阻R＝UI＝4.820×10－3Ω＝240Ω，对应表格中，这个人的体重为50kg.答案：(1)1.6×10－2(2)50要点二对敏感元件的认识[探究导入]在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻．此光电计数器的基本工作原理是什么？提示：当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次．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：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．[特别提醒]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．[典例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的带电荷量增大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[思路点拨]解答本题时可按以下思路分析：[解析]当环境温度降低时，R2变大，电路的总电阻变大，由I＝ER总知I变小，又U＝E－Ir，电压表的读数U增大，故B正确；又由U1＝IR1及P1＝I2R1可知U1变小，R1消耗的功率P1变小，故D错误；电容器两板间的电压U2＝U－U1，U2变大，由场强E′＝U2d，Q＝CU2可知Q、E′都增大，故A正确，C错误．[答案]AB[总结提升]传感器问题中的电路动态分析的四点注意(1)如果涉及光敏电阻，必须明确光照情况怎样变化，从而判断出其阻值的变化．(2)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化．(3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析．(4)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化．3.如图所示，将一光敏电阻接在多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时，表针自左向右的偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角为θ′，则可判断()A．θ′＝θB．θ′＜θC．θ′＞θD．不能确定解析：光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，由欧姆挡的特点知，指针左偏，故指针自左向右的偏转角度变小，故选B.答案：B4．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，L为小灯泡，当温度降低时()A．R1两端的电压增大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与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2电阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有C正确．答案：C霍尔传感器的应用霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器．一般用于电机中测定转子的转速，如录像机的磁鼓，电脑中的散热风扇等．(1)霍耳元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)．(2)霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡．(3)霍尔电压：UH＝kIBd(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中UH与B成正比，所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量．5．(多选)如图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、k为定值，如果保持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(工作面是指较大的平面)()A．将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面，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：将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时，B增大，I恒定，由公式UH＝kIBd知UH将变大，选项A正确；地球两极的磁场方向在竖直方向上，所以霍尔元件的工作面应保持水平，使