（新课标）2020高中物理 第六章 传感器 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•〔情景切入〕•2013年12月15日4时35分，中国自己研制的“玉兔号”月球探测车(如图)缓缓驶上月球，在月面上印出一道深深的痕迹，开始月面巡视勘察。•“玉兔号”月球车重约140kg，由移动、导航控制、结构与机构……8个分系统组成，可对月球表面进行三维成像和光谱分析，同时还可以检测月壤的厚度和结构、分析月表物质的主要元素等。•在远离地球38万公里的月球上，“玉兔”为什么能如此听话地去完成各项任务？是谁充当了它的感觉器官？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：光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和霍尔元件的特性及在传感器中的作用。第二节“传感器的应用”介绍了几种常见传感器：力、声、温度和光传感器在实际中的应用，感受传感技术给人们的生活带来的便利。第三节是通过传感器的应用实验，获取对自动控制电路设计的感性认识并了解光控开关电路、温度警报器及控制原理。•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〕•1．要熟悉一些敏感元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能，如光敏电阻、热敏电阻、霍尔元件、双金属片、电磁继电器、二极管、斯密特触发器、滑动变阻器的分压作用等，了解它们的工作特点，对分析传感器原理，设计一些控制电路是很有帮助的。•2．认真阅读教材，特别是通过教材中的大量图片，明确电子秤、话筒、电熨斗、电饭锅和光电鼠标的原理。注意收集生活中的各种传感器，结合实物、原理图、结构图或电路图等及所学物量知识理解它们的工作原理。•3．重视理论联系实际，随着科技的发展和社会的进步，传感器的应用已经越来越普及，所以在学习过程中要多留意身边的一些简单的控制电路，一些家用电器的工作原理等等，这样可以帮助理解传感器的原理，培养自己学习的兴趣。第一节传感器及其工作原理•素养目标定位※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•素养思维脉络课前预习反馈•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________的元件。•2．工作原理知识点1传感器温度、光、声非电学通断•1．特点•电阻值随光照增强而________。•2．原理•光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子极少，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。知识点2光敏电阻减小不好增多变好光照强弱电阻知识点3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稳定性好，测温_________作用将________这个热学量转换为________这个电学量减小增大范围大温度电阻•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，向着与电流和磁场都________的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)知识点4霍尔元件半导体洛伦兹力垂直•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就与B成正比。•4．作用•霍尔元件能够把______________这个磁学量转换为________这个电学量。kIBd磁感应强度电压•『判一判』•(1)传感器可以把非电学量转换为电学量()•(2)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，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。()思考辨析√×ו(4)金属热电阻随温度的升高导电能力增强，它的化学稳定性好，测量范围大。()•(5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。()•(6)霍尔元件一共有两个电极，电阻这个电学量就通过这两个电极输出。()×√ו『选一选』•非触摸式自动水龙头(自动感应水龙头)如图，其应用的传感器是()•A．压力传感器•B．光电式传感器•C．生物传感器•D．温度传感器•解析：自动感应水龙头应用的是光电传感器。B•『想一想』•晚上上楼时，随着发出的脚步声响，楼梯灯亮了；登上一层楼，灯光照亮一层楼，而身后的灯则依次熄灭，这种楼梯灯好像能“听到”我们的到来，能“看见”我们的离去，其中的原因是什么呢？解析：电路中安装了光声控延时开关，光声控延时开关中安装有光敏感元件，用于感知外界光线的强弱。还安装有声敏感元件，用于感知外界声响。当白天外界光线较强时，光声控延时开关总处于断开状态，灯不亮；当夜晚光线较弱且有声响时，光声控延时开关处于导通状态，灯亮，延时一段时间后，开关断开，灯熄灭。课内互动探究探究一传感器的工作原理•如图，机器人在踢足球，机器人就是通过传感器“看到”事物的。想一想，传感器的作用是什么？•提示：传感器就像人的眼睛、耳朵、鼻子一样，接收外界的光、声音、温度等信息并把它们转换为便于测量、传输、处理和控制的电学量(电压、电流)。11．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。•(多选)如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。其中A为光源，B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。每当扶梯上有顾客经过挡住由A射向R1的光线时，计数器就计数一次。下列说法正确的是()•A．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压•B．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压•C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次•D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次BC例1•解题指导：解决含有光敏电阻的直流电路动态问题时，首先要明确该敏感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。解析：当光线照射R1时，R1阻值减小，R总减小，且电源电压不变，由闭合电路欧姆定律得I＝ER总，电路中的电流增大，R2是定值电阻，U2＝IR2，R2两端电压增大，信号处理系统获得高压，所以选项A错误，B正确；根据前面分析可知，每当有人经过时，即没有光照时，信号处理系统获得低电压，信号处理系统计数一次，即信号处理系统每获得一次低电压就计数一次，所以选项C正确，D错误。•〔对点训练1〕(多选)(2019·山东省临朐高二下学期检测)如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图。图中油量表由电流表改装而成，金属杠杆的一端接浮标，另一端触点O接滑动变阻器R。当油箱内油面下降时，下列分析正确的有()•A．触点O向下滑动•B．触点O向上滑动•C．电路中的电流增大了•D．电路中的电流减小了•解析：当油箱内油面下降时，浮标下降，由杠杆可以看出触点O向上滑动，变阻器R的阻值变大，电流减小，所以选项B、D正确。BD探究二常见的传感器元器件•在汽车点火系统中，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元(ECU)的初级电流。想想看，霍尔式点火脉冲发生器与传统点火系统比较，有什么优点呢？2提示：相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损、免维护，能够适应恶劣的工作环境，能够较大幅度提高发动机的性能。•1．光敏电阻•(1)光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。•(2)光敏电阻的电阻随光照的增强而减小。•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•(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，①为某一热敏电阻的“R－T”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。在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增大的是正温度系数(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)热敏电阻的用途•热敏电阻器的用途十分广泛，主要应用于：•①利用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、过流保护作用；•③利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面等。•(4)金属热电阻•有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。如上图中的②为金属热电阻“R－T”特性曲线。•相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。•3．霍尔元件•(1)霍尔效应•如图所示，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，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＝kIBdU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。•4．电容•(1)原理：电容器的电容C决定于极板正对面积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)用途•例如：图(1)是用来测定角度θ的电容式传感器，当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况。•图(2)是测定液面高度h的电容式传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化。知道C的变化，就可以知道h的变化情况。•图(3)是测定压力F的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况。•图(4)是测定位移x的电容式传感器，随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况。•用多用电表的欧姆挡观察NTC热敏电阻的特性，如右图所示，方法是：将多用电表选择开关置于欧姆挡，再将两表笔与热敏电阻的