高中物理第六章传感器1传感器及其工作原理课件新人教版选修3_2-67张 67页

第六章　传　感　器 1 　传感器及其工作原理 一、传感器 1. 定义 : 能够感受诸如力、温度、光、声、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 _____ 量 , 或转换为电路的 _____ 的元件。 非电学 电学 通断 2. 非电学量转换为电学量的意义 : 把非电学量转换为电 学量 , 可以方便地进行 _____ 、传输、处理和 _____ 。 测量 控制 二、光敏电阻 1. 特点 : 光照越强 , 电阻 _____ 。 2. 原理 : 无光照时 , 载流子少 , 导电性能 _____; 随着光照 的增强 , 载流子 _____, 导电性 _____ 。 3. 作用 : 把 _________ 这个光学量转换为 _____ 这个电学 量。 越小 不好 增多 变好 光照强弱 电阻 三、热敏电阻和金属热电阻 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 , 测温范 围 ___ 作　用 将 _____ 这个热学量转换为 _____ 这个电学量 减小 增大 大 温度 电阻 四、霍尔元件 1. 构造 : 很小的矩形半导体薄片上 , 制作四个电极 E 、 F 、 M 、 N 。 2. 霍尔电压 : 如图 ,E 、 F 间通入恒定 电流 I, 同时外加与薄片垂直的磁场 B, 则 M 、 N 间出现霍尔电压 U H ,U H =____ 。 3. 作用 : 把 ___________ 这个磁学量转换为 _____ 这个电 学量。 磁感应强度 电压 【 思考辨析 】 (1) 传感器的作用是把电学量转化为非电学量。 ( 　　 ) (2) 光敏电阻随光照的增强 , 导电性能变好。 ( 　　 ) (3) 热敏电阻能够把热学量转化为电学量。 ( 　　 ) (4) 金属热电阻和热敏电阻在温度升高时电阻都变大。 ( 　　 ) (5) 热敏电阻灵敏度高 , 金属热电阻测量范围大。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。传感器的作用是把非电学量转化为可测量的电学量。 (2)√ 。光敏电阻的导电能力随光线的强弱而变化 , 但光照越强 , 电阻越小 , 导电能力越强。导电性能越好。 (3)√ 。热敏电阻就是把温度这个热学量转化为电学量的。 (4)× 。金属热电阻在温度升高时电阻增大 , 而热敏电阻在温度升高时电阻变小。 (5)√ 。热敏电阻是半导体材料制成 , 灵敏度高 , 金属热电阻由于化学稳定性好 , 所以测量范围大。 一　对传感器的认识 【 典例 】 关于传感器工作的一般流程 , 下列说法中正确的是 B. 电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C. 非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 D. 非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 【 正确解答 】 选 A 。传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的 , 传感器工作的一般流程为 : 非电学量被敏感元件感知 , 然后通过转换元件转换成电信号 , 再通过转换电路将此信号转换成易于传输或测量的电学量。所以 A 正确 ,B 、 C 、 D 错误。故选 A 。 【 核心归纳 】 1. 传感器的核心元件 : (1) 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。 (2) 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。 (3) 转换电路 : 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。 2. 传感器的工作原理 : 传感器感受的通常是非电学量 , 如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等 , 而它输出的通常是电学量 , 如电压、电流、电荷量等。这些输出信号是非常微弱的 , 通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示 : 3. 传感器分类 : (1) 物理传感器 : 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象的信息。如压力传感器、温度传感器、光电传感器、电容传感器等。 (2) 化学传感器 : 利用化学反应识别和检测信息。如气敏传感器。 (3) 生物传感器 : 利用生物化学反应识别和检测信号。如酶传感器、细胞传感器等。 【 过关训练 】 1. 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 光敏电阻能够把电信号转换成光信号 B. 干簧管是一种能够感知静电场的传感器 C. 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 D. 电容式位移传感器能够把电动势这个电学量转化为物体的位移这个力学量 【 解析 】 选 C 。光敏电阻是由半导体材料制成的 , 其电阻值随光照的强弱发生变化 , 能够把光照强弱变化转换为电阻大小变化 , 把光信号转变成电信号 , 故 A 错误 ; 干簧管是能够感知磁场的传感器 , 故 B 错误 ; 霍尔元件是能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量 , 故 C 正确 ; 电容式位移传感器能够把物体的位移这个力学量转化为电动势这个电学量 , 故 D 错误。故选 C 。 2. 压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小 , 有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置 , 其工作原理图如图甲所示 , 将压敏电阻固定在升降机底板上 , 其上放置一个物块 , 在升降机运动的过程中 , 电流表示数如图乙所示 , 已知升降机静止时电流表的示数 I 1 。下列判断正确的是 ( 　　 ) A. 从 0 到 t 1 时间内 , 升降机一定静止 B. 从 t 1 到 t 2 时间内 , 升降机可能做匀加速直线运动 C. 从 t 1 到 t 2 时间内 , 升降机运动时的加速度在变化 D. 从 t 2 到 t 3 时间内 , 升降机可能向下匀加速运动 【 解析 】 选 C 。从 0 ～ t 1 时间内 , 电流不变 , 可知电路中 的总阻值不变 , 升降机可能静止也可能匀速运动 , 故 A 错 误 ;t 1 到 t 2 时间内 , 电流增大 , 电阻减小 , 根据压敏电阻 的阻值变化特点可知压力增大 , 静止时 F N =mg,t 1 到 t 2 时 间内根据牛顿第二定律 F N -mg=ma, 合力向上 , 加速度向 上 , 且 F N 增大 , 可能向上做加速度增大的加速运动或向 下做加速度增加的减速运动 , 故 B 错误 ,C 正确 ;t 2 到 t 3 时间内电流不变 , 电阻不变 , 压力不变 , 电流大于静止时的电流 , 压力大于静止时的压力 , 对物块受力分析 , 受到重力和支持力 , 根据牛顿第二定律 F N -mg=ma, 合力向上 , 加速度向上 , 且 F N 不变 , 故加速度不变 , 所以 t 2 到 t 3 时间内升降机匀加速上升或匀减速下降 , 故 D 错误。所以 C 正确 ,A 、 B 、 D 错误。故选 C 。 【 补偿训练 】 1. 主持节目、演唱常用到话筒 , 其中有一种动圈式话筒 , 其工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈 , 线圈处于永磁体的磁场中 , 当声波使膜片前后振动时 , 就将声音信号转变为电信号 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 该传感器是根据电流的磁效应工作的 B. 该传感器是根据电磁感应原理工作的 C. 膜片振动时 , 穿过金属线圈的磁通量保持不变 D. 膜片振动时 , 金属线圈中不会产生感应电流 【 解析 】 选 B 。当声波使膜片前后振动时 , 线圈切割磁感线产生感应电流 , 将声音信号转变为电信号 , 是根据电磁感应原理工作的 ,A 错误 ,B 正确 ; 膜片随着声波而周期性振动 , 穿过金属线圈的磁通量是周期性变化的 ,C 错误 ; 膜片振动时 , 金属线圈切割磁感线 , 会产生感应电动势 , 但其大小会变化 ,D 错误。故选 B 。 2. 拥有多名长江学者的天津大学自动化与信息工程学 院 , 为全国传感器类生产企业输送了众多人才。传感器 指的是能将感受到的物理量 ( 如力、热、光、声等 ) 转 换成便于测量量 ( 一般是电学量 ) 的一种元件 , 在自动控 制中有相当广泛的应用 , 如图所示的装置是一种测定液 面高度的电容式传感器 , 从电容 C 大小的变化情况就能 反应出液面高度 h 的高低情况 , 则下列说法正确的是 ( 　　 ) A.C 增大表示 h 增大 B.C 增大表示 h 减小 C. 金属芯线与电介质构成一个电容器 D. 图中液体可以不是导电液体 【 解析 】 选 A 。此传感器是由金属芯线与液体构成一个 电容器 , 其中的液体是电容器的一个极 , 则此液体必须 是导电液体 , 选项 C 、 D 错误 ; 当电容 C 增大时 , 根据电容 的决定式 C= 分析正对面积应增大 , 则知液面高度 h 增大。当电容 C 减小时 , 则液面高度减小 , 故 A 正确 ,B 错 误。故选 A 。 二　对敏感元件的认识 考查角度 1 对光敏电阻的认识 【 典例 1】 ( 多选 ) 光敏电阻自动计数器的示意图如图所示 , 图中虚线表示激光 , 圆柱体表示随传送带运动的货物 , 其中 R 1 为光敏电阻 ,R 2 为定值电阻 , 此光电计数器的基本工作原理是 A. 当光照射 R 1 时 , 信号处理系统获得高电压 B. 当光照射 R 1 时 , 信号处理系统获得低电压 C. 信号处理系统每获一次低电压就计数一次 D. 信号处理系统每获一次高电压就计数一次 【 正确解答 】 选 B 、 D 。当有光照射 R 1 时 ,R 1 的电阻减小 , 则整个电路总电阻变小 , 电动势不变 , 则电流增大 , 则 R 2 两端的电压增大 , 所以 R 1 两端的电压减小 , 即信号处理 系统获得低电压 , 故 A 错误 ,B 正确 ; 当无光照射 R 1 时 ,R 1 的电阻增大 , 则整个电路总电阻变大 , 电动势不变 , 则电 流减小 , 则 R 2 两端的电压减小 , 所以 R 1 两端的电压增大 , 即信号处理系统获得高电压 , 则信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 , 所以 C 错误 ,D 正确。故选 B 、 D 。 【 核心归纳 】 光敏电阻 : 光敏电阻一般由半导体材料制成 , 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。光敏电阻把光照的强弱转换为电阻的大小。 考查角度 2 对热敏电阻和金属热电阻的认识 【 典例 2】 热敏电阻能将热信号转换为电信号是因为 ( 　　 ) A. 电阻阻值的大小随热量的变化而变化 B. 电阻阻值的大小随温度的变化而变化 C. 电阻体积的大小随热量的变化而变化 D. 电阻体积的大小随温度的变化而变化 【 正确解答 】 选 B 。热敏电阻随温度的升高其电阻值减小 , 随温度的降低其电阻值增大 , 可见温度变化 , 电阻变化 , 接入电路中的电流 , 电压变化 , 故应选 B 。 【 核心归纳 】 热敏电阻和金属热电阻的特点 : (1) 热敏电阻 : 指用半导体材料制成 , 电 阻值随温度变化发生明显变化的电阻。 如图线①所示为某热敏电阻的电阻 — 温 度特性曲线。 (2) 金属热电阻 : 有些金属的电阻率随温度的升高而增大 , 如图线②所示 , 这样的电阻也可以制作温度传感器。热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量 , 但相比而言 , 金属热电阻的化学稳定性好 , 测温范围大 , 而热敏电阻的灵敏度较好。 考查角度 3 对霍尔元件的认识 【 典例 3】 如图所示 , 截面为矩形的金属导体 , 放在磁场中 , 当导体中通有电流时 , 导体的上下表面的电势有什么关系 A.U M >U N 　　　　　　 B.U M =U N C.U M