高中物理 3.1 认识传感器、3.2 传感器的原理 （粤教版选修3-2）

欢迎进入物理课堂 第一节认识传感器第二节传感器的原理 课标定位 学习目标 1 了解传感器的概念和种类 知道非电学量转换成电学量的技术意义 2 通过实验知道常见敏感元件的工作原理 3 能够结合已学的知识 分析传感器在实际中的应用事例 重点难点 常见敏感元件的工作原理 第二节 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 课前自主学案 课标定位 课前自主学案 一 什么是传感器1 定义 能够感受规定的被测量 并按照一定的规律转换成 的器件或装置 通常由 和 组成 2 传感器的组成传感器一般由 元件 转换元件和 电路三部分组成 方框图如图3 1 1所示 可用信号 敏感 元件 转换元件 敏感 转换 1 敏感元件 相当于人的感觉器官 直接感受被测量并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量 敏感元件的作用是获取信息 2 转换元件 也称传感元件 通常不直接感受被测量 而是将敏感元件输出的物理量转换为电学量输出 转换元件的作用是将非电学量转换成一种易于测量的电学量 3 转换电路 是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量 如电压 电流 频率等 转换电路的作用是将电学量转换为另一种电学量 采用先进工艺技术和材料 能使敏感元件和转换元件合为一体 这种传感器是集成传感器 采用集成传感器稳定性好 可靠性高 体积小 重量轻 有利于微型化和降低成本 二 传感器的分类传感器的原理有各种各样 它与许多学科有关 其种类繁多 分类方法也很多 但是目前一般可以按如下进行分类 三 温度传感器的原理1 热敏电阻 1 温度特性 正温度系数热敏电阻 温度升高 电阻 负温度系数热敏电阻 温度升高 电阻 2 特点 热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量的 与其他温度传感器相比 热敏电阻的温度系数 灵敏度 响应迅速 测量线路简单 并且体积小 寿命长 价格便宜 耐湿 耐酸 耐碱 耐热冲击 耐振动 可靠性较高 热敏电阻主要用于点温度 小温差温度的测量 远距离 多点测量与控制 以及温度补偿和电路的自动调整等 增大 减小 大 高 2 温度传感器的原理 图3 1 2 1 实验探究 将热敏电阻接入如图3 1 2所示的电路中 改变热敏电阻的温度 观察电压表的读数变化 体会将温度这一 转换为 这一电学量 非电学量 电压 2 现象 温度变化 电压表示数发生变化 3 结论 温度传感器可以将热学量的变化转换为电学量的变化 3 温度传感器的应用在日常生活中 各种家用电器的自动化 智能化工作都离不开温度传感器的应用 如电饭煲 空调机 电热水器 微波炉 饮水机等 都是通过温度传感器进行检测而实现温度自动控制 四 光电传感器的原理1 光敏电阻的特点 光敏电阻的电阻大小与光照的强弱 光照强度越大 电阻 2 光电传感器的原理 有关 越小 图3 1 3 1 实验探究 将热敏电阻接入如图3 1 2所示的电路中 改变热敏电阻的温度 观察电压表的读数变化 体会将温度这一非电学量转换为电压这一电学量 2 现象 光照强度变化 电流表示数发生变化 3 结论 光敏电阻可以将光学量的变化转换为电学量的变化 3 光电传感器的应用光电传感器的工作原理是将 转换为 的传感器 光电传感器的应用 鼠标器 火灾报警器 光控开关等 光学量变化 电学量变化 核心要点突破 一 传感器的原理及传感器中各元件的作用1 传感器的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 如电压值 电流值 电荷量等 这些输出信号是非常微弱的 通常要经过放大后 再送给控制系统产生各种控制动作 传感器原理如图3 1 4所示 2 各元件的作用敏感元件是传感器的核心部分 它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 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 转换电路的作用是将此电信号转换成易于传输或测量的电学量输出 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 为解决楼道的照明 在楼道内安装一个传感器与电灯的控制电路相接 当楼道内有走动而发出声响时 电灯即与电源接通而发光 这种传感器为 传感器 它输入的是 信号 经传感器转换后 输出的是 信号 答案 声声音电 二 热敏电阻和金属热电阻1 热敏电阻 用半导体材料制成 其电阻值随温度变化明显 如图3 1 5所示 1 为某一热敏电阻的电阻 温度特性曲线 2 热敏电阻的两种型号及其特性热敏电阻器是电阻值随温度变化而变化的敏感元件 在工作温度范围内 电阻值随温度上升而增大的是正温度系数 PTC 热敏电阻器 电阻值随温度上升而减小的是负温度系数 NTC 热敏电阻器 3 热敏电阻的用途热敏电阻器的用途十分广泛 主要应用于 1 利用电阻 温度特性来测量温度 控制温度和元件 器件 电路的温度补偿 2 利用非线性特性完成稳压 限幅 开关 过流保护作用 3 利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量 流速 液面等 4 金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大 这样的电阻也可以制作温度传感器 称为金属热电阻 如图3 1 5中的 2 为金属导线电阻 温度特性曲线 相比而言 金属热电阻化学稳定性好 测温范围大 而热敏电阻的灵敏度较好 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 2011年广州高二检测 现有热敏电阻 电炉丝 电源 电磁继电器 滑动变阻器 开关和导线若干 如图3 1 6所示 试设计一个温控电路 要求温度低于某一温度时 电炉丝自动通电供热 超过某一温度时 又可以自动断电 画出电路图并说明工作过程 解析 热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路 答案 1 电路图如图所示 2 工作过程 闭合S当温度低于设计值时热敏电阻阻值变大 通过电磁继电器的电流不能使它正常工作 K接通电炉丝加热 当温度达到设计值时 热敏电阻减小到某值 通过电磁继电器的电流达到工作电流 K断开 电炉丝断电 停止供热 当温度低于设计值时 又重复前述过程 三 电容式传感器的原理及用途1 原理 电容器的电容C取决于极板正对面积S 极板间距离d及极板间电介质这几个因素 如果某一物理量 如角度 位移s 深度h等 的变化能引起上述某一因素的变化 从而引起电容的变化 那么测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化 2 用途 图3 1 7甲是用来测定角度 的电容式传感器 当动片与定片之间的角度 发生变化时 引起极板正对面积S的变化 使电容C发生变化 知道C的变化 就可以知道 的变化情况 图乙是测定液面高度h的电容式传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质 放入导电液体中 导线芯和导电液体构成电容器的两个极 导线芯外 面的绝缘物质就是电介质 液面高度h发生变化时 引起正对面积发生变化 使电容C发生变化 知道C的变化 就可以知道h的变化情况 图丙是测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候 膜片发生形变 使极板间距离d发生变化 引起电容C的变化 知道C的变化 就可以知道F的变化情况 图丁是测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化 电容C发生变化 知道C的变化 就可以知道x的变化情况 特别提醒 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 单选 如图3 1 8所示是电容式话筒的示意图 它是利用电容制作的传感器 话筒的振动膜前面有薄薄的金属层 膜后距膜几十微米处有一金属板 振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极 在两极间加一电压U 人对着话筒说话时 振动膜前后振动 使电容发生变化 使声音信号被话筒转化为电信号 其中导致电容变化的原因是电容器两板间的 图3 1 8 A 距离变化B 正对面积变化C 介质变化D 电压变化解析 选A 平行板电容器的电容C rS d 本例中的介质没有变化 正对面积也没有变化 引起电容变化的因素是板间距离d 课堂互动讲练 双选 如图3 1 9是利用硫化镉制成的光敏电阻自动计数的示意图 其中A是发光仪器 B是光敏电阻 下列说法中正确的是 A 当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时 光敏电阻的阻值变小 电压表读数变小B 当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时 光敏电阻的阻值变大 电压表读数变大 C 当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时 光敏电阻的阻值变小 电压表读数变小D 当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时 光敏电阻的阻值变大 电压表读数变大 精讲精析 当光照射到光敏电阻B上时 B电阻减小 电路中电流增大 B两端电压减小 信号处理系统得到低电压 计数器每由低电压转到高电压 就计一个数 从而达到自动计数目的 答案 AD 单选 如图3 1 10是一火警报警装置的一部分电路示意图 其中R2是半导体热敏传感器 它的电阻随温度升高而减小 a b接报警器 当传感器R2所在处出现火情时 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 U变大B I变小 U变小C I变小 U变大D I变大 U变小 图3 1 10 思路点拨 抓住半导体热敏特性即电阻随温度升高而减小 接下来则用电路动态变化的分析思路 按局部 整体 局部进行分析 精讲精析 当传感器R2所在处出现火情时 温度升高 R2电阻减小 电路的总电阻减小 总电流I增大 路端电压Uab E Ir减小 I r R1 增大 U并 E I r R1 减小 通过R3电流I3减小 通过R2的电流I2 I I3增大 D项对 答案 D 方法总结 电路中涉及热敏或光敏电阻或金属热电阻时 熟记上述电阻阻值随温度变化的特点 然后依据动态电路问题的分析思路 由部分到整体再到部分进行分析 单选 如图3 1 11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变化为 A h增大B h减小C h不变D 无法确定 思路点拨 导电液体和导线芯类似平行板电容器两个极板 液体深度的变化类似于正对面积的变化 这样就容易分析电容的变化了 自主解答 由题意知 导线芯和导电液体构成电容器的两极 类似于平行板电容器的两极 当液面高度发生变化时 相当于两极正对面积发生变化 会引起电容的变化 与平行板电容器类比可得 导电液体深度h增大时 导线芯和导电液体正对面积增大 电容器的电容值变大 答案 A 方法总结 根据传感器元件的特性结合相关知识认真分析求解 变式训练日光灯的启动器也可看成是一个热敏传感装置 它的热敏功能器是双金属片 你能说出启动器的工作原理吗 解析 日光灯启动器内有一双金属片 热膨胀系数不同 开关闭合后 启动器两极之间有电压使氖气放电而发出辉光 辉光发出的热量使U形动触片受热膨胀而向外延伸 碰到静触片接触 电路接通 温度降低时 U形动触片向里收缩 离开触点 切断电路 答案 见解析 本部分内容讲解结束 按ESC键退出全屏播放 谢谢使用 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全