高中物理第5章传感器及其应用2常见传感器的工作原理3大显身手的传感器课件鲁科版选修3_2-83张 83页

第 2 节 　常见传感器的工作原理 第 3 节 　大显身手的传感器 　 一、光电传感器的原理 1. 光电传感器的定义 : 光电传感器是一种能够感受光信 号 , 并按照一定规律把光信号转换成 _______ 的器件或 装置。 电信号 2. 干簧管继电器 : (1) 干簧管的工作原理。 干簧管的两个铁质簧片处有磁场时 , 两簧片被 _____, 两 个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态 , 线圈中没有电流时 , 磁场消失两簧片又分开。 磁化 (2) 干簧管继电器。 ①构造 : 由干簧管和绕在干簧管外的 _____ 组成。 ②在电路中的作用 : 在电路中 , 可以根据流经线圈的电 流大小控制电路的 _____ 。 ③在电路图中的画法 : 线圈 通断 3. 光敏电阻 : (1) 光敏电阻器是用金属硫化物等半导体制成的 , 当光 照射到这些半导体物质上时 , 它的电阻率减少 ,_____ 也 随之减少。 (2) 特性 : 入射光强 , 电阻 ___; 入射光弱 , 电阻 ___ 。 (3) 作用 : 用于光的 _____ 和光的 _____ 。 阻值 小 大 测量 控制 二、探究温度传感器的原理 1. 温度传感器的定义 : 温度传感器是一种将 _____ 变化 转换为电学量变化的装置。 2. 热敏电阻 : (1) 热敏电阻是利用半导体材料制成的 , 其阻值随 _____ 的变化而变化。 (2)NTC 热敏电阻的阻值随温度的升高而 _____;PTC 热敏 电阻的阻值随温度的升高而 _____ 。 温度 温度 减小 增大 三、大显身手的传感器 1. 洗衣机水位控制装置 : 如图所示 , 筒中水位到达设定 的高度时 , 凸起的膜片使动触点 a 与 ________ 脱离 , 并与 ________ 接触 , 从而接通控制电路 , 关闭进水电磁阀门 , 接通洗涤电动机电源 , 开始洗涤衣物。 静触点 b 静触点 c 2. 自动门 : (1) 控制自动门开关的是一种 _______ 传感器。 (2) 自动门工作流程 : 红外线 3. 指纹识别器 : 当手指放在绝缘表面上时 , 皮肤就组成 了电容阵列极板的另一面。由于指纹的脊和谷相对于 另一极之间的 _____ 不同 , 使电容阵列中不同位置的电 容器的电容值也不同。通过读取这些电容的 _____, 就 能够获取指纹信息 , 转换成电信号。 距离 差异 4. 传感器与机器人 : (1) 机器人的组成 : 机械系统、 ___________ 、信息处理 和控制系统。 (2) 机器人传感器的分类 : ① 外部传感器 : 感知外部 _________ 和外界事物对机器 人的刺激。 ②内部传感器 : 用于检测机器人自身的 _____ 。 传感器系统 工作环境 状态 【 思考辨析 】 (1) 光敏电阻一般由金属材料制成。 ( 　　 ) (2) 干簧管是能够感知磁场的传感器。 ( 　　 ) (3) 干簧管接入电路相当于开关的作用。 ( 　　 ) (4) 洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。 ( 　　 ) (5) 自动门利用了红外线传感器。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。光敏电阻一般由半导体材料做成。 (2)√ 。干簧管能够感知磁场。 (3)√ 。干簧管能感知磁场 , 是因为当两个簧片所处位置的磁场方向相同时 , 就会相互吸引 , 所以相当于开关的作用。 (4)√ 。洗衣机的自动控制装置利用了压力传感器。 (5)√ 。控制自动门开关的是一种红外线传感器。 一　光敏电阻的特性 考查角度 1 光敏电阻的特性 【 典例 1】 为了节能和环保 , 一些公共场所使用光控开 关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制 , 光 敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件 ( 照度可 以反映光的强弱 , 光越强照度越大 , 照度单位为 lx) 。某 光敏电阻 R p 在不同照度下的阻值如表 : 照度 /lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 电阻 /kΩ 75 40 28 23 20 18 (1) 根据表中数据 , 请在图甲给定的坐标系中描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线 , 并说明阻值随照度变化的特点。 (2) 如图乙所示 , 当 1 、 2 两端所加电压上升至 2 V 时 , 控制开关自动启动照明系统 , 请利用下列器材设计一个简单电路。给 1 、 2 两端提供电压 , 要求当天色渐暗照度降低至 1.0 lx 时启动照明系统 , 在虚线框内完成电路原理图。 ( 不考虑控制开关对所设计电路的影响 ) 提供的器材如下 : 光敏电阻 R p ( 符号 , 阻值见图表 ) 直流电源 E( 电动势 3 V, 内阻不计 ) 定值电阻 :R 1 =10 kΩ,R 2 =20 kΩ,R 3 =40 kΩ( 限选其中之一并在图中标出 ); 开关 S 及导线若干。 【 解题探究 】 (1) 如何描绘出光敏电阻阻值随照度变化的曲线 ? 提示 : 根据表中数据 , 先描点 , 后用平滑的曲线连接。 (2) 如何能使 1 、 2 两端所加电压为 2 V? 提示 : 电源电动势为 3 V, 要使 1 、 2 两端所加电压为 2 V, 故应加上一个分压电阻。 【 解析 】 (1) 根据表中的数据 , 在坐标纸上描点连线 , 得到如图所示的变化曲线。 阻值随照度变化的特点 : 光敏电阻的阻值随光的照度的增大非线性减小。 (2) 因天色渐暗照度降低至 1.0 l x 时启动照明系统 , 此时光敏电阻阻值为 20 kΩ, 两端电压为 2 V, 电源电动势为 3 V, 故应加上一个分压电阻 , 分压电阻阻值为 10 kΩ, 即选用 R 1 ; 此电路的原理图如图所示。 答案 : (1) 见解析　 (2) 见解析 【 核心归纳 】 1. 探究光敏电阻的特性 : (1) 实验器材 : 电压直流电源、滑动变阻器、小灯泡、多用电表、光敏电阻、导线、黑纸。 (2) 实验步骤 : ① 将光敏电阻、多用电表、小灯泡、滑动变阻器按如图所示电路连接好 , 并将多用电表置于“ ×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 打开电源 , 让小灯泡发光 , 调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮 , 观察表盘指针显示电阻阻值的情况 , 并记录。 ④用黑纸遮光 , 观察表盘指针显示电阻阻值的情况 , 并记录。 (3) 数据处理 : 把记录的结果填入表中 , 根据记录数据分析光敏电阻的特性。 结论 : 光敏电阻的阻值被光照射时发生变化 , 光照增强电阻变小 , 光照减弱电阻变大。 光照强度 弱 中 强 无光照射 阻值 /Ω 2. 认识光敏电阻 : (1) 光敏电阻的材料是一种半导体 , 无光照时 , 载流子极少 , 导电性能不好 ; 随着光照的增强 , 载流子增多 , 导电性能变好。 (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。它就像人的眼睛 , 可以看到光线的强弱。光线愈强 , 阻值愈低。一般光敏电阻的阻值在不受光照时是受光照时的 100 ～ 1 000 倍。 (3) 光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜 , 因此在自动化技术中应用非常广泛。 【 易错提醒 】 对含光电传感器电路问题的思路分析 (1) 判断电路的整体连接特点。 (2) 由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。 (3) 根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。 (4) 根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化 , 进而得出电压表、电流表的示数的变化和各部分功率等情况的变化。 考查角度 2 光传感器的应用 【 典例 2 】 (2019· 南平高二检测 )( 多选 ) 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 【 解析 】 选 A 、 B 、 D 。火灾报警器是利用烟雾对光的漫反射工作的 , 故 A 正确 ; 光照状态下 , 光电三极管阻值减小 , 所以光电三极管收不到 LED 发出的光时 , 处于断路状态 ( 呈高阻状态 ),B 正确 ; 机械式鼠标器的传感器是红外接收管 , 故 C 错误 ; 鼠标器移动时 , 码盘转动 , 红外线接收管收到的是不连续的脉冲信号 , 故 D 正确。故选 A 、 B 、 D 。 【 核心归纳 】 光传感器的应用 —— 火灾报警器 : (1) 如图所示为利用烟雾对光的散射来工作的一种火灾报警器 , 其工作原理是 : 带孔的罩子内装有发光二极管 LED 、光电三极管和不透明的挡板。平时 , 光电三极管收不到 LED 发出的光 , 呈现高电阻状态。 (2) 烟雾进入罩内后对光有散射作用 , 使部分光线照射到光电三极管上 , 其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化 , 就会发出警报。 【 过关训练 】 1. ( 多选 ) 光敏电阻被光照射时电阻会变小。如图所示 , 电源电动势为 E, 内阻为 r, 在有光照射光敏电阻 R 1 时 , 灯泡 L 正常发光。当无光照射 R 1 后 , 下列判断中正确的是 ( 　　 ) A. 通过光敏电阻 R 1 的电流将变小 B. 光敏电阻 R 1 两端的电压不变 C. 电源两端的电压变大 D. 灯泡消耗的功率变大 【 解析 】 选 A 、 C 。由题知光敏电阻被光照射时电阻会变小 , 当无光照射 R 1 时电阻增大 , 根据闭合电路欧姆定律得知 , 通过光敏电阻 R 1 的电流将变小 , 故 A 正确。光敏电阻 R 1 两端的电压 U 1 =E-I(R L +r),I 变小 ,U 1 增大 , 故 B 错误。由于电源两端的电压随外电阻的增大而增大 , 所以电源两端的电压变大 , 故 C 正确。灯泡的电阻不变 , 电流变小 , 其消耗的功率变小 , 故 D 错误。故选 A 、 C 。 2. 如图所示 , 将一光敏电阻接入多用电表两表笔上 , 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 , 用光照射光敏电阻时 , 表针的偏角为 θ, 现用手掌挡住部分光线 , 表针的偏角变为 θ′, 则可判断 ( 　　 ) A.θ′=θ 　　　　　　　　　 B.θ′<θ C.θ′>θ D. 不能确定 【 解析 】 选 B 。光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小 , 开始时有光照射 , 光敏电阻的阻值较小 , 当手掌挡住部分光线时 , 光敏电阻的阻值增大 , 因为欧姆表的零刻度在表盘的右侧 , 所以欧姆表测电阻时 , 阻值越大 , 指针张角越小 , 所以选项 B 正确。 3. 如图所示是霍尔元件的工作原理示意图 , 如果用 d 表示薄片的厚度 ,k 为霍尔系数 , 对于一个霍尔元件 d 、 k 为定值 , 如果保持电流 I 恒定 , 则可以验证 U H 随 B 的变化情况。以下说法中不正确的是 ( 　　 ) A. 将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时 ,U H 将变大 B. 在测定地球两极的磁场强弱时 , 霍尔元件的工作面应保持水平 C. 在测定地球赤道上的磁场强弱时 , 霍尔元件的工作面应保持水平 D. 改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角 ,U H 将发生变化 【 解析 】 选 C 。由 U H = 知电压与磁感应强度成正比 , 垂直工作面的磁感应强度 B 越大 , 电压越大 ; 将永磁体的 一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面 , 磁感应强度 B 变 大 ,U H 将变大 ,A 正确 ; 霍尔元件的工作面应与 B 垂直 , 在 测定地球两极的磁场强弱时应保持水平 , 在测定地球赤 道上的磁场强弱时应保持竖直 , 故 B 正确、 C 错误 ; 垂直 工作面的磁感应强度 B 越大 , 电压越大 , 所以当磁感线与霍尔元件工作面的夹角变化时 ,U H 将发生变化 ,D 正确。 【 补偿训练 】 1. 如图甲 (a) 所示的电路中 , 光敏电阻 R 2 加上图 (b) 所示的光照时 ,R 2 两端的电压变化规律是图乙中的 ( 　　 ) 【 解析 】 选 B 。光敏电阻随光照的增强电阻减小 , 电路中电流增大 , 电阻 R 1 两端电压增大 ,R 2 两端电压减小 , 但不能减小到零。故选项 B 正确。 2. 如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置 ,R 1 为光敏电阻、 R 2 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 之间电压升高 B. 当有人通过而遮蔽光线时 ,A 、 B 之间电压降低 C. 当仅增大 R 2 的阻值时 , 可减小 A 、 B 之间的电压 D. 当仅减小 R 2 的阻值时 , 可增大 A 、 B 之间的电压 【 解析 】 选 B 。 R 1 是光敏电阻 , 有光照射时 , 电阻变小 , 当有人通过遮蔽光线时 ,R 1 的阻值变大 , 回路中的电流 I 减小 ,A 、 B 间的电压 U=IR 2 减小 , 故 A 项错误 ,B 项正确 ; 由闭合电路欧姆定律得 :U=E-I(R 1 +r), 当仅增大 R 2 的阻值时 , 电路中的电流减小 ,A 、 B 间的电压 U 增大 , 故 C 项错误 ; 当减小 R 2 的阻值时 , 电路中的电流增大 ,A 、 B 间的电压 U 减小 , 故 D 项错误。 二　热敏电阻的特性 考查角度 1 探究热敏电阻的实验 【 典例 1】 (2019· 厦门高二检测 ) 某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材 : 直流恒流电源 ( 在正常工作状态下输出的电流恒定 ) 。电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。 (1) 若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性 , 请你在图甲中的实物图上连线。 (2) 实验的主要步骤 : ① 正确连接电路 , 在保温容器中注入适量冷水 , 接通电源 , 调节并记录电源输出的电流值 ; ② 在保温容器中添加少量热水 , 待温度稳定后 , 闭合开关 ,________, 断开开关 ;  ③ 重复第②步操作若干次 , 测得多组数据。 (3) 实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值 , 并据此绘得图乙的 R-t 关系图线 , 请根据图线写出该热敏电阻的 R-t 关系式 :R=________+________t(Ω) ( 保留 3 位有效数字 ) 。  【 解析 】 (1) 直流恒流电源在正常工作状态下输出的电流恒定 , 故只需要将电压表与电阻并联测量出电压即可 , 实物图上连线如图 (2) 本实验要测量电阻值和温度值的关系 , 电阻要用欧姆定律计算 , 由于电流恒定且已知 , 故需测量电压和温度 ; 故答案为 : 记录电压表电压值、温度计数值。 (3) 从图中取相距较远的两个特殊点 , 代入 R=R 0 +kt 计算 , 由图有 120=R 0 +50k 104=R 0 +10k 解得 R 0 =100 Ω k=0.395 故该热敏电阻的 R-t 关系式 :R=100+0.395t 故答案为 :100,0.395 答案 : (1) (2) 记录电压表电压值、温度计数值 (3)R=100+0.395t 【 核心归纳 】 探究热敏电阻 : (1) 实验器材 : 热敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、导线等。 (2) 实验步骤 : ① 按图连接好电路 , 将热敏电阻绝缘处理。 ② 把多用电表置于“欧姆”挡 , 并选择合适的挡位测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值 , 并记下此时温度计的示数。 ③向烧杯中注入少量的冷水 , 使热敏电阻浸没在冷水中 , 记下温度计的示数和多用电表测量的热敏电阻的阻值。 ④ 将热水分几次注入烧杯中 , 测出不同温度下热敏电阻的阻值 , 并记录。 (3) 数据处理 : ① 根据记录数据 , 把测量到的温度值和电阻值填入表中 , 分析热敏电阻的特性。 次数 温度 /℃ 电阻 /Ω ② 在坐标系中 , 粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。 考查角度 2 热敏电阻的应用 【 典例 2】 如图所示是一火警报警器的部分电路示意图。其中 R 2 为用半导体负温度系数热敏材料 ① 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 R 2 所在处 出现火情时 ② ， 显示器的电流 I ③ ， 报警器两端的电压 U ④ 的变化情况是 （ ） A.I 变大 ,U 变大　　　　　 B.I 变大 ,U 变小 C.I 变小 ,U 变大 D.I 变小 ,U 变小 【 审题关键 】 序号 信息提取 ① 温度升高阻值减小 ② 出现火情温度升高 ③ 电流表测的是 R 3 的电流 ④ 报警器的电压为 R 2 两端的电压 【 正确解答 】 选 D 。 R 2 所在处出现火情时 , 温度升高 , 则 R 2 的阻值减小。 R 2 ↓→R 总 ↓→ I 干 ↑→ U 1 ↑→U 3 ↓→I↓, 故显示器的电流 I 变小 , 由 U=E-I 干 r,I 干 变大 , 知 U 变小 , 故选项 D 正确。 【 核心归纳 】 1. 金属热电阻和热敏电阻 : 金属热电阻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。它能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。热敏电阻的电阻率则可以随温度的升高而升高或降低。 热敏电阻主要有两种 : 2. 热敏电阻的应用 : (1) 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成 , 利用的原理是温度引起电阻变化 , 由于半导体热敏电阻有独特的性能 , 所以在应用方面 , 它不仅可以作为测量元件 ( 如测量温度、流量、液位等 ), 还可以作为控制元件 ( 如热敏开关、限流器 ) 和电路补偿元件。 (2) 热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等多个领域 , 发展前景极其广阔。 【 易错提醒 】 　热敏电阻相关问题的两点注意 (1) 明确热敏电阻随温度的升高 , 电阻有可能减小 , 也有可能增大。 (2) 利用闭合电路的欧姆定律及串并联特点进行分析。 【 过关训练 】 1.( 多选 )NTC 热敏电阻器即负温度系数热敏电阻器 , 也就是指阻值随温度的升高而减小的电阻。负温度系数的热敏电阻 R 2 接入如图所示电路中 ,R 1 为定值电阻 ,L 为小灯泡 , 当温度降低时 ( 不考虑灯泡和定值电阻阻值随温度变化 ) ( 　　 ) A. 小灯泡变亮 B. 小灯泡变暗 C.R 1 两端的电压增大 D. 电流表的示数减小 【 解析 】 选 A 、 D 。当温度降低时 , 热敏电阻阻值变大 , 所以并联部分的电阻变大 , 根据分压关系 , 并联部分两端电压变大 , 因此小灯泡变亮 ,A 对 B 错 ; 总电阻变大 , 干路电流变小 ,R 1 两端的电压减小 ,C 错 D 对。 2. 如图所示 , 由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中 , 当闭合开关 S 后 , 小灯泡正常发光。若用酒精灯加热电阻丝时 , 发现小灯泡亮度变暗 , 发生这一现象的主要原因是 ( 　　 ) A. 小灯泡的电阻发生了变化 B. 小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化 C. 电阻丝的电阻率随温度发生了变化 D. 电源的电压随温度发生了变化 【 解析 】 选 C 。电阻丝的电阻率随温度的升高而增大 , 电阻也增大 , 根据 P= 知 , 小灯泡的实际功率减小 , 所 以变暗 ,C 正确。 3.( 多选 ) 有一火灾报警装置的部分电路如图甲所示 , 其中 R 2 是热敏电阻 , 其电阻随温度的变化关系如图乙所示。当 R 2 所在处出现火情时 , 通过电流表的电流 I 和 a 、 b 两端电压 U 与出现火情前相比 ( 　　 ) A.I 变大 B.I 变小 C.U 变大 D.U 变小 【 解析 】 选 A 、 D 。根据题中图象可知 , 当 R 2 所在处出现火情时 , 随温度升高 ,R 2 的阻值变小 , 由此造成整个回路的总阻值变小 , 所以 a 、 b 两端电压 U 变小 , 故选项 C 错误 , 选项 D 正确 ; 而干路电流变大 ,R 1 两端电压增大 ,R 3 两端电压减小 , 通过 R 3 的电流减小 , 所以通过 R 2 的电流 , 即电流表的电流 I 变大 , 故选项 A 正确 , 选项 B 错误。