人教版 (2019)选择性必修 第二册2 常见传感器的工作原理及应用精品ppt课件

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5.2 常见传感器的工作原理及应用
人教版高中物理选修二
目录
你见过自动门吗？讨论一下它的原理
新知导入
自动干手机
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自动水龙头
新知导入
把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。
1.光敏电阻的制作
硫化镉
光强——电阻率小
光弱——电阻率大
光敏电阻
新知探究
2.光敏电阻的特性与原理
观察光敏电阻特性
【实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。
新知探究
【实验步骤】（1)将光敏电阻、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于“×100”挡；（2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；（3)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。（4）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
【数据处理】根据记录数据分析光敏电阻的特性。
新知探究
新知探究
电阻小
电阻大
光学量
→
电阻
新知探究
特性： 光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。
新知探究
空穴
自由电子
温度提高，一些电子挣脱原子核的束缚变为自由电子。
为什么半导体材料对温度更敏感？
而电子原来的位置就变为空穴，这些空穴相当于带正电荷的粒子
一旦半导体接进电路，形成电场，自由电子沿着空穴前进，相当于正负电荷都在移动形成电流
温度越高，挣脱的自由电子就越多，导电能力越强。
新知探究
光敏电阻工作原理：
光照增强 半导体材料中的载流子（自由电子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小
新知探究
你挡住电梯门时，为什么门就自动打开，松手后又自动关闭？
新知探究
一般随着光照强度的增大电阻值_______。
减小
1.特性：光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。
光照强弱
电阻
2.材料：制作光敏电阻的材料一般为 _______。如：硫化镉
半导体
3.半导体的导电原理：半导体靠其中的________（自由电子和空穴）来导电。
载流子
4.光敏电阻能够把_________这个光学量转换为____这个电学量。
新知应用
3.光敏电阻的应用
——计数器
A是发光仪器
B是接收光信号的仪器
无物品、有光照、电阻小、电压低
有物品、挡光、电阻大、电压高
这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。
新知探究
新知探究
【例题1】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
ABC
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，干路电流增大，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，C项正确。
新知应用
光控继电器的工作原理是:当照射光敏电阻时,(1)光敏电阻的阻值 (变大或变小)； (2) 被控电路 (填“接通”或“断开”)。
光控设备
电源
变小
接通
课堂练习
新知应用
铂电阻
规 律： 电阻随温度的升高而增大。
优缺点： 热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。
新知探究
新知探究
金属热电阻的应用：
如图所示，一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。 当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮（图甲）。 当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮（图乙）。 通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。
新知探究
观察热敏电阻特性
将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然后仿照图所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻的变化情况。
新知探究
实验现象
热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大，
温度升高，热敏电阻的阻值显著减小。
实验结论
新知探究
特性：热敏电阻的阻值会随着温度的升高而_____，具有负温度系数
减小
新知探究
2、金属热电阻和热敏电阻
（1）金属热电阻：
规律：电阻随温度的升高而增大。
（2）热敏电阻：
规律：电阻随温度的升高而减小。
温度
→
电阻
电阻随温度的变化关系
新知探究
3.应用实例——低油位报警装置
当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。
给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。
当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮。
通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。
液位报警示意图
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→灯亮
新知探究
【例题2】关于传感器，下列说法正确的是（　　）A.金属材料不可以制成传感器B.光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的C.传感器主要是通过感知电阻的变化来传递信号的D.以上说法都不正确
传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，故A错误；光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的，故B正确，D错误；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不一定是通过感知电阻的变化来传递信号的，故C错误。
B
解析：
新知应用
（1）热敏电阻与金属热电阻的阻值与温度的变化关系是否相同？
不相同
金属热电阻的阻值随温度升高而 _____。
热敏电阻的阻值随温度升高而_____。
减小
增加
热敏电阻和金属热电阻
（2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？
热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差,测量 ________ ；金属热电阻的化学稳定性较好，测量_________，但灵敏度较差。
范围较小
范围较大
（3）热敏电阻和金属热电阻都能将_______这个热学量转化为________这个电学量。
温度
电阻
新知巩固
新知探究
新知探究
①金属电阻应变片
②半导体电阻应变片
1.原理与特性
拉力→L变长→S变小→电阻变大
压力→L变短→S变大→电阻变小
金属的电阻应变效应
当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。
新知探究
2.应用实例——电子秤
电子秤使用的测力装置：力传感器
常见的一种力传感器：
应变式力传感器
应变片
金属梁
新知探究
2.应用实例——电子秤
在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。
应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
汽车称重的地磅
新知探究
2.应用实例——电子秤
新知探究
新知探究
【例题3】(多选）关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是(　 　)A.应变片是由导体材料制成B.当应变片的上表面拉伸时，其电阻变大，反之变小C.传感器输出的是应变片上的电压D.外力越大，输出的电压差值也越大
应变片多用半导体材料制成，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小，B项正确；传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差且随外力增大，输出电压差值增大 ，原理如右图所示，D项正确。
解析：
BD
新知应用
如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
新知探究
（1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等
（2）改变d：测量压力F
（3）改变ε：测量位移x
新知探究
【例题4】(多选)传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（ ）A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
BC
新知应用
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。
推导:
载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差.当达到稳定状态时,洛仑兹力与电场力平衡.
电流的微观表达式
新知探究
霍尔电压：
一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。
磁感应强度
→
电压
新知探究
新知探究
★霍尔传感器应用实例:
永久磁铁和霍尔元件
①电动车加速器位置→磁场→电压→控制器控制车速
②霍尔无刷电动机(直流电源)位置→ → →
三个霍尔 传感器
三个电压
控制器控制 三个线圈 中的电流
新知探究
如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，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，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
由左手定则知
上表面聚集负电荷下表面聚集正电荷
故下表面电势高
【针对训练】
新知应用
光 ————传感器———电流温度 ————传感器———电流 力 ———— 传感器———电流
非电学量———传感器———电学量
好处：容易测量
位移 ————传感器———电流磁感应强度 ————传感器———电流
课堂小结
新知巩固
1.下列说法中不正确的是(　　)A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号B．电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片C．电子秤所使用的测力装置是力传感器D．热敏电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量
话筒是声传感器，能将声音信号转换成电信号，故A错
新知巩固
2．在防治“非典”期间，在机场、车站等交通出入口，使用了红外线热像仪，红外线热像仪通过红外线遥感，可检测出经过它时的发热病人，从而可以有效控制疫情的传播．关于红外线热像仪，下列说法正确的是(　　)A．选择红外线进行检测，主要是因为红外线光子能量小，可以节约能量B．红外线热像仪通过发射红外线照射人体来检测C．红外线热像仪同时还具有杀菌作用D．一切物体都能发射红外线，而且物体在不同温度下发射的红外线的频率和强度不同
红外线热像仪是根据物体发射的红外线的频率和强度不同而工作的
新知巩固
3.如图甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=40 kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当 a、b端电压 Uab0时，电压鉴别器使 S断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在______℃．
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新知巩固
4. 下列关于光传感器应用的说法中正确的是(　　)A．火灾报警器是利用烟雾对光的反射来工作的B．火灾报警器中的光电三极管平时收不到LED发出的光，呈现高电阻状态C．机械式鼠标器的传感器是红外发射管D．当鼠标器在桌面上移动时，红外接收管收到的是断续的红外线脉冲
机械式鼠标器的传感器是红外接收器
新知巩固
新知探究
1．温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用金属热电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E=3.0V，内电阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为金属热电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1=2.0mA；当电流表的示数I2=1.0mA时，金属热电阻的温度是（　　）A．40℃ B．60℃ C．80℃ D．100℃
C
新知巩固
2．如图是一火警报警电路的示意图，R3为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。值班室的显示器为电路中的电流表，电源两极之间接一报警器。当传感器R3所在处出现火情时，电流表显示的电流I、报警器两端的电压U的变化情况（　　）A．I变大，U变小B．I变小，U变小C．I变小，U变大D．I变大，U变大
B
新知巩固
3．如图，在电路中接一段钨丝（从旧白炽灯中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗，根据钨丝的上述特性，可用钨丝来制作一个温度传感器，下面的说法中正确的是（　　）A．该传感器利用了钨丝的化学性质B．该传感器的原理是把电学量（电阻）转换为热学量（温度）C．该传感器的敏感元件是钨丝，转换元件是灯泡D．该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性
D
新知巩固
4．下列关于传感器的说法，正确的是（       ）A．金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器B．传感器不是电视遥控接收器的主要元件C．干簧管是一种能够感知电场的传感器D．传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量或转换为电路的通断
D
新知巩固
5．电阻应变片是一种将被测件上的形状变化转换成为一种电信号的敏感器件，其阻值会随着机械形变而发生变化。如图所示为某同学设计的利用金属丝应变电阻来研究其阻值与拉力大小之间关系的电路，其中电压表和电流表是理想电表，a、b两点之间连接的是金属丝应变电阻，把一重物悬挂在金属丝中间。当把悬挂重物的质量减小时，下列说法正确的是（      ）A．电流表示数变小 B．电压表示数变大C．电压表与电流表示数之比变大 D．电压表与电流表示数变化之比不变
D
新知巩固
6．如图所示是一种测定竖直加速度的装置，A、B间的电压U恒定，R1为定值电阻，滑块左端与滑动变阻器R2的滑动头连接，下端与竖直轻弹簧连接。将该装置固定在竖直方向运动的电梯中，电梯静止时滑动头在变阻器的中间位置，理想电压表示数为1.5V。下列说法正确的是（　　）A．电压表示数为1.2V时，电梯加速度方向向上B．电压表示数为1.8V时，电梯一定向上加速C．加速度增大时，电压表示数一定增大D．将电压表的表盘改成表示加速度的表盘，刻度仍均匀
D
新知巩固
7．如图所示是光电计数器的工作示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上的物品，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（　　）A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压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
BD
新知巩固
8．如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，A、B接监控装置，则（　　）A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压增大B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压减小C．当仅增大R2的阻值时，A、B之间的电压增大D．当仅减小R2的阻值时，A、B之间的电压增大
BC
新知巩固
9．霍尔式位移传感器的测量原理如图所示，有个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场，磁感应强度B=B0+kz（B0、k均为常数）。将霍尔元件固定在物体上，保持通过霍尔元件的电流I不变（方向如图所示），曲物体沿z轴正方向平移时，由于位置不同，霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。则（　　）A．磁感应强度B越大，上、下表面的电势差U越大B．k越大，传感器灵敏度 越高C．若图中霍尔元件是电子导电，则下板电势高D．电流越大，上、下表面的电势差U越小
AB
新知巩固
课程结束
人教版高中物理选修二