鲁科版 物理 选修3-2 5.1、2 揭开传感器的“面纱”和常见传感器的工作原理

欢迎进入物理课堂 第1节揭开传感器的 面纱 第2节常见传感器的工作原理 课标定位 学习目标 1 知道什么是传感器 2 了解传感器的分类情况 3 知道光电传感器的原理 了解光电传感器在生活中的应用 4 知道温度传感器的原理 了解温度传感器在生活中的应用 重点难点 1 传感器的基本原理及其构造 光敏电阻和热敏电阻的特性 2 设计制作简易温度报警器 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第1 2节 课前自主学案 课前自主学案 一 什么是传感器1 定义 能够感受 并将其按照一定的规律转换成 的器件或装置 2 功能 传感器通常用在自动测量和自动控制系统中 担负着信息 和 的任务 把 量转化为 量 外界信息 电信号 采集 转化 非电学 电学 二 种类繁多的传感器1 分类按传感器的 的不同 把传感器分为 传感器 传感器和生物传感器 2 构造传感器一般由 和 组成 有时还需要加辅助电源 工作原理 物理 化学 敏感元件 转换元件 转换电路 3 传感器各组成部分的作用 1 元件是传感器的 部分 是利用材料的某种 制成的 2 转换元件是传感器中将 信号转换成 的电子元件 3 的作用是将转换电路得到的 转换成易于传输或测量的 输出 敏感 核心 敏感效应 非电 电信号 电信号 转换电路 电学量 三 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 并按照一定规律把 转换成 的器件或装置 2 光电传感器的敏感元件光电传感器的敏感元件主要有 等 它们都是利用某些物质在光照下 随之变化的性质制成的 3 光敏电阻的构造及特性光敏电阻是用金属硫化物等 材料制成的 入射光强 则电阻 入射光弱则电阻 光信号 光信号 电信号 光敏电阻 光敏晶体管 光电池 电阻率 半导体 减小 增大 四 探究温度传感器的原理1 温度传感器的定义及其敏感元件温度传感器是一种将 转化为 的装置 温度传感器中常见敏感元件有 和 等 它们都是利用敏感元件的某种电学特性随 变化而变化的特性制成的 2 热敏电阻的构造及特性热敏电阻是用 材料制成的 其电阻值随温度变化明显 NTC热敏电阻 负温度系数 的阻值 随温度升高而 PTC热敏电阻的阻值随温度升高而 金属热电阻的电阻率一般随温度升高而 温度 电学量 热敏电阻 热电偶 温度 半导体 减小 增大 增大 五 电容式传感器电容式传感器以各种类型的 为敏感元件 它将被测量的非电学量的变化 转化成 的变化 根据改变电容的方式不同 电容式传感器可分为变 式 变 式和变 式三种 电容器 电容 间隙 极板面积 介电常数 核心要点突破 一 常见传感器及应用模式1 常见的传感器传感器种类繁多 具体功能各不相同 下表给出一些常见的传感器及其工作原理 2 三类传感器的比较 1 三类传感器 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信息的传感器 主要应用于像位移 温度 速度 加速度 压力等物理量的转化 化学传感器 利用化学反应识别和检测信息的传感器 主要应用于环境保护 火灾报警 医疗卫生和家用电器等方面 生物传感器 利用生物化学反应识别和检测信息的传感器 如组织传感器 细胞传感器 酶传感器等 生物传感器专一性好 易操作 设备简单 测量快速准确 使用范围广 2 三类传感器的异同 相同点 都能将感受到的非电学量信息转化成电学量 都是利用敏感元件的某种敏感效应制成的 不同点 三类传感器的工作原理不同 所利用的敏感元件的敏感效应不同 生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于生物传感器的感受器中含有生命物质 3 传感器的一般应用模式传感器是将所感受到的物理量 如力 热 光等 转换成便于测量的量 一般是电学量 的一类元件 其工作过程是 通过对某一物理量敏感的元件 将感受到的物理量按一定规律转换成便于测量的量 一般由敏感元件 转换元件 转换电路三个部分组成 如图5 1 1所示 图5 1 1 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 关于传感器 下列说法不正确的是 A 传感器是将非电学量转化为电学量的装置B 压力传感器是将力学量转化为电学量的装置C 话筒中的传感器将电信号转化成声音信号D 传感器广泛应用于信息采集系统 解析 选C 传感器是这样一类元件 它能够感受外界信息 并将其按照一定的规律转换成电信息的器件或装置 即将非电学量转化为电学量的元件 故A对 压力传感器就是将力学量转化为电学量的装置 B对 话筒中的传感器是声传感器 它将声音信号转化成电信号 不是将电信号转化成声音信号 C错 传感器应用在自动测量和自动控制系统中 担负着信息采集和转化任务 故D对 二 光电传感器的原理及光敏电阻1 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电信号的器件或装置 2 光敏电阻 在被光照射时电阻发生变化 可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量 3 半导体的导电机理 以半导体材料硅为例说明半导体的导电机理 图5 1 2是硅原子排列示意图 每个原子的最外层有4个电子 由于热运动或其他原因 其中极少数电子可能获得较大的能量 挣脱原子的束缚而成为自由电子 这样 在原来的地方就留下一个空位 称为 空穴 空穴相当于一个正电荷 当这个空穴由附近原子中的电子来填补时 就出现了一个新的空穴 这种变化相当于空穴在移动 图5 1 2 如果有了外电场 自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动 于是在半导体中形成了电流 自由电子和空穴都叫做载流子 4 光敏电阻的特性当光敏电阻受到光照射时 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 于是导电性明显地增强 电阻减小 不受光照射时的电阻阻值是受光照射时的100倍 1000倍 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 如图5 1 3所示 将多用电表的选择开关置于欧姆挡 再将电表的两支表笔分别与光敏电阻RG的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的中央 若用不透光的黑纸将RG包裹起来 表针将向 填 左 或 右 转动 若用手电筒光照射RG 表针将向 填 左 或 右 转动 图5 1 3 解析 欧姆表的表盘刻度最右边是0 最左边是无穷大 将RG包裹起来 光敏电阻受光照变弱 电阻增大 指针向左转动 用手电筒照射RG时 光敏电阻受光照变强 电阻减小 指针向右偏转 答案 左右 三 温度传感器的原理及热敏电阻1 温度传感器温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置 常见的温度传感器有热敏电阻和热电偶等 2 热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成 当半导体材料的温度升高时 必定接收了外界的能量 自己的内能增加 加剧内部分子 或原子 的热运动 使很多束缚电荷变为自由电荷 载流子增多 增强了导电性 热敏电阻有温度系数大 灵敏度极高 反应迅速 体积小 寿命长等优点 3 热敏电阻的两种类型热敏电阻的电阻率随温度变化而明显变化 常见的有两种类型 1 正温度系数热敏电阻 PTC热敏电阻 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而增大 其特性与金属热电阻相似 其电阻随温度的变化图象如图5 1 4所示 图5 1 4图5 1 5 2 负温度系数热敏电阻 NTC热敏电阻 这种热敏电阻的电阻率随温度升高而明显减小 其电阻随温度的变化图象如图5 1 5所示 4 热敏电阻的用途热敏电阻可以将温度这一非电学量的变化转化为电阻的变化 进而转化为电流或电压这些电学量的变化 理论上说 所有与温度有关的问题都可以使用热敏电阻 热敏电阻的灵敏性好但稳定性较差 测温范围较小 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 如图5 1 6所示 将万用电表的选择开关置于 欧姆 挡 再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻Rt的两端相连 这时表针恰好指在刻度盘的正中间 若往Rt上擦一些酒精 表针将向 填 左 或 右 移动 若用吹风机将热风吹向电阻 表针将向 填 左 或 右 移动 图5 1 6 解析 若往Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸发吸热 热敏电阻Rt温度降低 电阻值增大 指针应向左偏 用吹风机将热风吹向电阻 电阻Rt温度升高 电阻值减小 指针向右偏 答案 左右 课堂互动讲练 全面了解汽车的运行状态 速度 水箱温度 油量 是确保汽车安全行驶和驾驶员安全的举措之一 为模仿汽车油表原理 自制一种测定油箱油量多少或变化多少的装置 如图5 1 7所示 其中电源电压保持不变 R是滑动变阻器 它的金属滑片是金属杆的一端 小阳同学在装置中使用了一只电压表 图中没有画出 通过观察电压表示数 可以了解油量情况 你认为电压表应该接在图中的 两点之间 按照你的接法请回答 当油箱中油量减少时 电压表的示数将 填 增大 或 减小 对传感器原理的认识 图5 1 7 精讲精析 由题图可知当油箱内液面高度变化时 R的金属滑片将会移动 从而引起R两端电压的变化 且当R R时 UR IR可视为UR与R成正比 所以电压表应接在b c之间 当油量减少时 电压表示数将增大 答案 b c增大 方法总结 1 各类传感器工作原理虽不完全相同 但都是把非电学量转换为电学量 2 传感器输出的电学量有电流 电压及电路通断等多种形式 3 解此类问题的基本思路 分析电路结构 研究电阻的变化 判断 计算 电流 电压的变化 如图5 1 8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 图5 1 8 当有光照射R1时 信号处理系统获得高电压 当有光照射R1时 信号处理系统获得低电压 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次A B C D 精讲精析 R1为光敏电阻 当有光照射时 R1的阻值变小 R2上的电压变大 信号处理系统获得高电压 由题意知 当传送带上的物体挡住光时 信号处理系统获得低电压 这种电压高低交替变化的信号转化为相应的数字 实现自动计数的功能 达到自动计数的目的 故 说法正确 答案 A 方法总结 对含光电传感器的电路一般按以下思路分析 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出各部分电路电压和电流的变化 进而得出电压表 电流表示数的变化和各部分功率的变化 类型三 热敏电阻的应用 如图5 1 9所示 R1为定值电阻 R2为负温度系数的热敏电阻 L为小灯泡 当温度降低时 图5 1 9 A R1两端的电压增大B 电流表的示数增大C 小灯泡的亮度变强D 小灯泡的亮度变弱 思路点拨 自主解答 R2与灯L并联后与R1串联 与电源构成闭合电路 当热敏电阻温度降低时 电阻R2增大 外电路电阻增大 电流表读数减小 路端电压 E Ir 变大 R1两端电压 IR1 变小 灯L电压 E Ir IR1 变大 灯泡亮度变强 C正确 答案 C 变式训练如图5 1 10所示是一火警报警器的一部分电路示意图 其中R2为用半导体热敏电阻 阻值随温度的升高而减小 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 图5 1 10 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变小解析 选B 当传感器R2所在处出现火情时 半导体热敏电阻R2的阻值减小 通过电源的电流增大 报警器两端的电压U减小 值班室的显示器的电流减小 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