5.2 常见传感器的工作原理及应用 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第五章 传感器 第2节 常见传感器的工作原理及应用 02 03 01 主题(二) 热传感器 主题(一) 光传感器 目录 CONTENTS 主题(三) 力传感器 04 第2节 常见传感器的工作原理及应用 主题(四) 磁传感器与位移传感器 新课引入：传感器是什么？ 能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断的仪器。 那传感器中的敏感元件是如何感知非电学量从而将其转化为电学量呢？ 温度传感器 光传感器 火警报警器 力传感器 什么材料对这些信号敏感呢？ 硫化镉 新课引入：常见的传感器有哪些？ 第一部分 光传感器 一、光传感器 1.材料: 硫化镉 2.制作: 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。 一、光传感器 ②光弱，电阻大 3.探究光传感器的特性： ①光强，电阻小 光信号转化为电信号 4.作用： 一、光传感器 5.原理： 材料的电阻率减小 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 注意：某些半导体材料对光非常敏感，所以称作光敏电阻. 【典例1】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（ ） 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 A R1 R2 信号处理系统 BD 典例分析： 本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com 【典例2】如图所示,R1、R2为定值电阻,L是小灯泡,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 典例分析： 第二部分 热传感器 二、热传感器 1.材料： 金属导体: 电阻率随温度的升高而增大。 金属铂制作的电阻温度计 金属电阻—温度特性曲线 R T o 二、热传感器 1.材料： 金属导体: 电阻率随温度的升高而增大。 半 导 体: 电阻率随温度的升高而降低。 二、热传感器 2.探究半导体电阻的特性： 结论：温度升高，半导体电阻的阻值显著减小。 二、热传感器 2.探究半导体电阻的特性： 结论：温度升高，半导体电阻的阻值显著减小。 R T 0 半导体电阻—温度特性曲线 金属电阻—温度特性曲线 R T o 金属电阻与半导体电阻的对比 特性：金属热电阻的阻值会随着温度的升高而______，具有正温度系数 金属电阻 R T O 金属R-T关系示意图 增大 半导体电阻 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 R T 0 热敏R-T关系示意图 半导体材料对温度更敏感,但是持续加热就变为了导体 空穴 自由电子 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 温度提高，一些电子挣脱原子核的束缚变为自由电子。 思考：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。 E 二、热传感器 2.探究半导体电阻的特性： 结论：温度升高，热敏电阻的阻值显著减小。 ①半导体材料对温度更敏感，由半导体材料制成的电阻称作的热敏电阻；金属材料制成的叫金属热电阻。 ②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。 热信号转化为电信号 3.作用： 二、热传感器 低油位报警装置 4.应用： 二、热传感器 低油位报警装置 4.应用： ②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。 ①给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。 ③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。 ④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 油位低→电阻小→灯亮 【典例3】如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器，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 B 典例分析： 第三部分 力传感器 三、力传感器 1.材料: ①金属导体 形状改变从而电阻改变 拉力→L变长→S变小→电阻变大 压力→L变短→S变大→电阻变小 金属电阻应变效应 R 三、力传感器 1.材料: ①金属导体 形状改变从而电阻改变 ②半 导 体 半导体材料的压阻效应。 当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率会发生明显变化的现象，称为压阻效应。 应变片 金属梁 力信号转化为电信号 2.作用： 三、力传感器 3.应用: 电子秤 三、力传感器 3.应用: 磅秤 金属梁 应变片 应变片 F 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。 压力传感器 磅体 接线管 仪表盘 三、力传感器 3.应用: 磅秤 车辆过磅器 除了改变l和s，能改变电阻值外，如果环境温度发生变化，也会影响到阻值。 b d B I 【典例4】有电流 I 流过长方体金属块，金属块高度为d，宽为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场由前向后穿过金属，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？ - - - f洛 f洛 f洛 qE qE qE 解：下表面电势高 V 磁场穿过导体的厚度 典例分析： 当qE=qvB时，U最大 思考：利用霍尔元件我们能制作怎么样的传感器？ 第四部分 磁传感器与位移传感器 半导体(如砷化铟) ②霍尔电压: 将此信号转化为电信号 四、磁传感器与位移传感器 霍尔元件 ③作用: 思考：用什么元件能设计一个位移传感器？ ①材料: 1.磁传感器 2.位移传感器： 电容器 ③测量 的传感器 ④测量 的传感器 ②测量 的传感器。 四、磁传感器与位移传感器 2.位移传感器： 又叫电容式位移传感器 定片 动片 θ 电介质 金属芯线 导电液体 待测压力F 固定电极 可动电极 ①测量 的传感器。 角度θ 液面高度h 压力F 位移X 【典例5】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 典例分析： 待测压力F 固定电极 可动电极 传感器就是人工智能机器人的眼睛、鼻子、耳朵舌头、皮肤等五官。 甚至能创造一些人类没有的器官。比如能够感受外界磁场变化的霍尔元件，能够感受红外线的红外仪等。 思考：传感器相当于人工智能机器人的什么？ 思考：传感器相当于人工智能机器人的什么？ 思考：传感器相当于人工智能机器人的什么？ 课堂小结 认识传感器 热敏电阻 光敏电阻 磁与位移传感器 力敏电阻 新知讲解 【练习1】非触摸式自动感应水龙头如图所示,其应用的传感器是(　　) A.压力传感器 B.光电传感器 C.生物传感器 D.温度传感器 课堂练习 B 【练习2】(多选)下列关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是 ( 　　) A.应变片都是由半导体材料制成的 B.当应变片拉伸时,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 BD 课堂练习 【练习3】如图甲所示,光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的(　　) 课堂练习 B 谢 谢 观 看 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 1.0 Enhanced Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $$