5.2常见传感器的工作原理及应用（培优教学课件）物理人教版选择性必修第二册

2.常见传感器的工作原理及应用 第五章 传感器 人教版选择性必修第二册 导入新课 我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。 问题1：常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？ 问题2：利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？ 思考与讨论： 知识回顾 力 温度 光 声 化学成分 非电学量 电学量 电压 电流 电路的通断 传感器 非电学量 敏感元件 转换器件 转换电路 （或电路的通断） 电学量 感 传 作用：从而实现很方便地测量、传输、处理和控制 学习目标 物理观念 认识传感器是把非电学量转换为电学量的装置。 科学思维 通过实验了解光敏电阻、热敏电阻等材料的物理特性，知道利用其特性制作传感器的敏感元件，总结工作特性。 科学探究 类比电阻式传感器的工作原理，分析电容式位移传感器，并能依据此原理设计电容或位移传感器。 科学态度 与责任 归纳传感器是利用物理规律或者材料的特性将输入的非电学量（物理、化学、生物特性等）转换为电学量的装置。 重点难点 重点 1. 传感器的工作原理，以及相关的半导体导电原理。 2. 传感器的具体应用过程。 难点 1.如何把各种物理量转化为电学量。 2.将实际生活中的传感器抽象出物理模型。 1. 光敏电阻 2. 金属热电阻和热敏电阻 3. 电阻应变片 4. 课堂总结 5. 练习与应用 学习内容 第2节 常见传感器的工作原理及应用 一、光敏电阻 第2节 常见传感器的工作原理及应用 一、光敏电阻 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。 硫化镉 光强——电阻率小 光弱——电阻率大 1.光敏电阻的制作 R 光照 O 光敏电阻 一、光敏电阻 实 验 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。 2.光敏电阻的特性与原理 一、光敏电阻 【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。 环境 1 2 3 4 5 6 7 阻值（） 一、光敏电阻 实验：观察光敏电阻特性 一、光敏电阻 （1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小; （2）光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 【实验结论】 原因(工作原理)：硫化镉（CdS）是一种半导体材料，无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。 作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 光学量（光照强度） → 电学量（电阻） 一、光敏电阻 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 一、光敏电阻 3.光敏电阻的应用——计数器 A为发光仪器 B为接收光信号的仪器（光敏电阻为主） 无物品，电阻小——电压低 有物品，电阻大——电压高 高低交替变化的信号经过处理，实现自动计数的功能。 A R1 R2 信号处理系统 B 思考：传送带上没有物品遮挡光信号时，供给信号处理系统的电压是高还是低？ 一、光敏电阻 例1.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(　　) B 二、金属热电阻和热敏电阻 第2节 常见传感器的工作原理及应用 二、金属热电阻和热敏电阻 1.金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。 2.热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力增强。用半导体材料制作热敏电阻。 金属热电阻 热敏电阻 温度 电阻 金属热电阻和热敏电阻 温度传感器 与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。 = 二、金属热电阻和热敏电阻 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。 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。 E 二、金属热电阻和热敏电阻 金属热电阻特性 热敏电阻特性 二、金属热电阻和热敏电阻 用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。 常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。 用半导体材料制作热敏电阻 3.金属热电阻应用实例 金属热电阻 铂电阻 二、金属热电阻和热敏电阻 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 4.热敏电阻应用实例 二、金属热电阻和热敏电阻 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 AB 三、电阻应变片 第2节 常见传感器的工作原理及应用 三、电阻应变片 1.特性（工作原理） 材料 特性(工作原理) 金属电阻应变片 金属 半导体电阻应变片 半导体 2.作用 压阻效应 电阻应变效应 形变 电阻 应变片 电阻 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。 三、电阻应变片 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 3.应用实例——电子秤 三、电阻应变片 金属梁 应变片 应变片 F 汽车称重的地磅 原理 F↑ 弯曲形变↑ 拉伸 R↑ 压缩 R↓ 电压差值↑ 电流恒定 某个力引起金属电阻应变片形变量的变化，从而引起两个应变片电压差值的变化，那么通过测定这个电压差，就能确定这个力的大小。 电阻应变片 三、电阻应变片 例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 BD 三、拓展学习 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。 根据电容的定义式 ，可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，就可判断电容的变化。 思考与讨论 三、拓展学习 （1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等 定片 动片 θ 电介质 金属芯线 导电液体 角度、深度 位移、压力 电容 传感器 电容 （2）改变d：测量压力F 待测压力F 固定电极 可动电极 （3）改变ε：测量位移x 电容器极板 电介质板 被测物体 电容式位移传感器 x 三、拓展学习 霍尔元件 洛伦兹力等于电场力： 电流微观表达式： 联立得： 令 三、拓展学习 视频：观察霍尔元件的特性 三、拓展学习 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 三、拓展学习 例4.目前，传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域，关于传感器的应用，下列说法中正确的是（　　） A.自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器 B.走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器 C.发光二极管是一种常用的光传感器，其作用是将光信号转换为电信号 D.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量 A 四、课堂总结 第2节 常见传感器的工作原理及应用 四、课堂总结 霍尔元件 01 02 03 04 电阻应变片 特点：光照越强，电阻越小。 光敏电阻 金属热和热敏电阻 特性：阻值随温度的升高而增大 特性：阻值随温度的升高而减小 金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。 五、练习与应用 第2节 常见传感器的工作原理及应用 五、练习与应用 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 BD 五、练习与应用 2.下列说法不正确的是（　　） A.电熨斗中的双金属片是温度传感器 B.金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差 C.霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器 D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量 D 五、练习与应用 3.（多选）智能手机屏幕的光线过强会对眼睛有害，因此手机都有一项 可以调节亮度的功能，该功能既可以自动调节，也可以手动调节。某兴趣 小组为了模拟该功能，设计了如图所示的电路。已知光敏电阻在光照增强 时，电阻会减小。闭合开关，下列说法正确的是( ) A.仅光照变强，小灯泡变暗 B.仅光照变弱，小灯泡变暗 C.仅将滑片向 端滑动，小灯泡变亮 D.仅将滑片向 端滑动，小灯泡变亮 BC 五、练习与应用 待测压力F 固定电极 膜片电极 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 Lavf58.29.100 Lavf56.15.102 Lavf56.15.102 Lavf56.15.102 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $