物理人教版 (2019)2 常见传感器的工作原理及应用一等奖课件ppt

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【物理观念】了解不同传感器的特征及工作原理【科学思维】知道传感器是如何将非电学量转化为电学量的物理过程，培养学生理论联系实际的思维习惯。【科学探究】查阅资料，进一步了解传感器在生产、生活中的广泛应用。【科学态度与责任】在了解传感器原理及应用时，知道已学知识在生活、生产、科技社会中的价值，增强学习兴趣，培养良好的科学态度．【教学重点】了解光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片以及电容式传感器的工作原理。【教学难点】知道不同传感器在实际生产中应用时所涉及的物理原理、相应的定性分析及定量运算。
就是获得外界信息，并将非电学量信息转化成电学量信号输出。
上节课，我们学过传感器的作用：
传感器是怎么把非电学量转化成电学量输出的呢？
硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。
没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小；有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，电流变小，计数1次。
金属的电阻率随温度升高而线性增大，称为热电阻。
二、金属热电阻和热敏电阻
用金属丝可制作温度传感器。
化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。
视频：电阻温度计测温度
有些半导体材料在温度升高时电阻变小，称为热敏电阻。
热敏电阻放入温水中后，电流表读数明显增大，
温度升高，热敏电阻的阻值显著减小。
2.视频：观察热敏电阻特性
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。
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。
油位高→电阻大→灯不亮
让电流通过热敏电阻，热敏电阻会发热。
热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小。
金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其阻值随着机械形变的大小而变化。
拉力→L变长→S变小→电阻变大
压力→L变短→S变大→电阻变小
如图，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。
3.电阻应变片制作力的传感器
4.应用实例——电子秤
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。用上述检测两极板间电压的变化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的测量。
面积型电容式传感器可用来测量位移（较大位移），极距型电容式传感器可用来测量微小位移，介质型电容式传感器可用来鉴别材质。优点：电容位移传感器能实现无接触测量。它采用合适的检测电路，做到灵敏度高、分辨力强、能分辨微小的位移。还有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便。缺点：电容位移传感器的量程比较小，一般只有几十个毫米，容易受外界干扰和分布参数的影响。
在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作四个电极就成为一个霍尔元件。
定向移动的电荷受到方向竖直向上的洛伦兹力，在这个力的作用下，薄片上下两侧会累积起正负电荷。 随着电荷积累，上下侧之间会形成一个逐渐增强的电场。
定向移动的电荷同时受到洛伦兹力和电场力的作用。
当电场力增大到与洛伦兹力相等时，上下侧之间就会形成一个稳定的电场和稳定的电压UH。这种现象称为霍尔效应，这个电压叫做霍尔电压。
可见，测得电压UH，就可算得磁感强度B，这就实现了磁学量转化为电学量的测量
半导体的霍尔效应要强于导体。在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件（右图下）。在E、F 间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则在M、N 间可出现霍尔电压UH。通过上述分析可知，霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系，因此利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。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。
应用1—测量磁场的大小
在两块磁感应强度相同、同极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，霍尔电压UH为0，可将该点作为位移的零点。当霍尔元件沿着±z方向移动时，则有霍尔电压输出，且电压大小与位移大小成正比，从而能够实现微小位移的测量。
1．下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是（ ）A．应变片是由导体材料制成B．当应变片的表面拉伸时，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，输出的电压值也越大
2．如图所示为大型电子地磅电路图，电源电动势为E，内阻不计，不称物体时，滑动头P在A端，滑动变阻器接入电路中有效电阻最大，电流较小；称重物时，在压力作用下使滑动头下移，滑动变阻器有效电阻变小，电流变大。这样把电流对应的质量值刻在刻度盘上，就可以读出被称物体的质量。若滑动变阻器上A、B间长度为l，最大阻值为R0，已知两弹簧的总弹力与形变量成正比，比例系数为k，试导出所称重物重力G与电路中电流I的函数关系。
3．温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的。在图甲中，电源的电动势E＝9.0V，内阻可忽略不计；G为灵敏电流表，内阻r保持不变；R0为保护电阻，R为热敏电阻，其电阻值与温度变化的关系如图乙所示。试写出热敏电阻的阻值随温度变化的关系式。闭合开关S，当R的温度等于40℃时，电流表示数I1＝2.25mA。则当电流表的示数I2＝3.6mA时，热敏电阻R的温度是多少摄氏度？
R＝－0.01875t＋4.25（kΩ） 120 ℃
4．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，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
5．将万用表的选择开关置于“欧姆”挡，再将万用表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT（阻值随温度升高而降低）的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间。若往R上擦一些酒精，表针将向________（填“左”或“右”）移动；若用吹风机将热风吹向电阻，表针将向________（填“左”或“右”）移动。
6．如图所示，是一个测定液面高度的传感器，在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两极。把这两极接入外电路，当外电路中的电流变化说明电容值增大时，则导电液体的深度h变化情况为（ ）A．h增大 B．h减小C．h不变 D．无法确定