物理 ：課件 選修3-2 5.1.2《揭開(kāi)傳感器的“面紗”和常見(jiàn)傳感器的工作原理》（魯科版）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第1節(jié)揭開(kāi)傳感器的 面紗 第2節(jié)常見(jiàn)傳感器的工作原理 課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 知道什么是傳感器 2 了解傳感器的分類情況 3 知道光電傳感器的原理 了解光電傳感器在生活中的應(yīng)用 4 知道溫度傳感器的原理 了解溫度傳感器在生活中的應(yīng)用 重點(diǎn)難點(diǎn) 1 傳感器的基本原理及其構(gòu)造 光敏電阻和熱敏電阻的特性 2 設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易溫度報(bào)警器 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 第1 2節(jié) 課前自主學(xué)案 課前自主學(xué)案 一 什么是傳感器1 定義 能夠感受 并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成 的器件或裝置 2 功能 傳感器通常用在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中 擔(dān)負(fù)著信息 和 的任務(wù) 把 量轉(zhuǎn)化為 量 外界信息 電信號(hào) 采集 轉(zhuǎn)化 非電學(xué) 電學(xué) 二 種類繁多的傳感器1 分類按傳感器的 的不同 把傳感器分為 傳感器 傳感器和生物傳感器 2 構(gòu)造傳感器一般由 和 組成 有時(shí)還需要加輔助電源 工作原理 物理 化學(xué) 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電路 3 傳感器各組成部分的作用 1 元件是傳感器的 部分 是利用材料的某種 制成的 2 轉(zhuǎn)換元件是傳感器中將 信號(hào)轉(zhuǎn)換成 的電子元件 3 的作用是將轉(zhuǎn)換電路得到的 轉(zhuǎn)換成易于傳輸或測(cè)量的 輸出 敏感 核心 敏感效應(yīng) 非電 電信號(hào) 電信號(hào) 轉(zhuǎn)換電路 電學(xué)量 三 光電傳感器的原理1 光電傳感器的定義光電傳感器是一種能夠感受 并按照一定規(guī)律把 轉(zhuǎn)換成 的器件或裝置 2 光電傳感器的敏感元件光電傳感器的敏感元件主要有 等 它們都是利用某些物質(zhì)在光照下 隨之變化的性質(zhì)制成的 3 光敏電阻的構(gòu)造及特性光敏電阻是用金屬硫化物等 材料制成的 入射光強(qiáng) 則電阻 入射光弱則電阻 光信號(hào) 光信號(hào) 電信號(hào) 光敏電阻 光敏晶體管 光電池 電阻率 半導(dǎo)體 減小 增大 四 探究溫度傳感器的原理1 溫度傳感器的定義及其敏感元件溫度傳感器是一種將 轉(zhuǎn)化為 的裝置 溫度傳感器中常見(jiàn)敏感元件有 和 等 它們都是利用敏感元件的某種電學(xué)特性隨 變化而變化的特性制成的 2 熱敏電阻的構(gòu)造及特性熱敏電阻是用 材料制成的 其電阻值隨溫度變化明顯 NTC熱敏電阻 負(fù)溫度系數(shù) 的阻值 隨溫度升高而 PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而 金屬熱電阻的電阻率一般隨溫度升高而 溫度 電學(xué)量 熱敏電阻 熱電偶 溫度 半導(dǎo)體 減小 增大 增大 五 電容式傳感器電容式傳感器以各種類型的 為敏感元件 它將被測(cè)量的非電學(xué)量的變化 轉(zhuǎn)化成 的變化 根據(jù)改變電容的方式不同 電容式傳感器可分為變 式 變 式和變 式三種 電容器 電容 間隙 極板面積 介電常數(shù) 核心要點(diǎn)突破 一 常見(jiàn)傳感器及應(yīng)用模式1 常見(jiàn)的傳感器傳感器種類繁多 具體功能各不相同 下表給出一些常見(jiàn)的傳感器及其工作原理 2 三類傳感器的比較 1 三類傳感器 物理傳感器 利用物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)感知并檢測(cè)出待測(cè)對(duì)象信息的傳感器 主要應(yīng)用于像位移 溫度 速度 加速度 壓力等物理量的轉(zhuǎn)化 化學(xué)傳感器 利用化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信息的傳感器 主要應(yīng)用于環(huán)境保護(hù) 火災(zāi)報(bào)警 醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器等方面 生物傳感器 利用生物化學(xué)反應(yīng)識(shí)別和檢測(cè)信息的傳感器 如組織傳感器 細(xì)胞傳感器 酶?jìng)鞲衅鞯?生物傳感器專一性好 易操作 設(shè)備簡(jiǎn)單 測(cè)量快速準(zhǔn)確 使用范圍廣 2 三類傳感器的異同 相同點(diǎn) 都能將感受到的非電學(xué)量信息轉(zhuǎn)化成電學(xué)量 都是利用敏感元件的某種敏感效應(yīng)制成的 不同點(diǎn) 三類傳感器的工作原理不同 所利用的敏感元件的敏感效應(yīng)不同 生物傳感器與物理傳感器和化學(xué)傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的感受器中含有生命物質(zhì) 3 傳感器的一般應(yīng)用模式傳感器是將所感受到的物理量 如力 熱 光等 轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量 一般是電學(xué)量 的一類元件 其工作過(guò)程是 通過(guò)對(duì)某一物理量敏感的元件 將感受到的物理量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量 一般由敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成 如圖5 1 1所示 圖5 1 1 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 1 關(guān)于傳感器 下列說(shuō)法不正確的是 A 傳感器是將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置B 壓力傳感器是將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置C 話筒中的傳感器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲音信號(hào)D 傳感器廣泛應(yīng)用于信息采集系統(tǒng) 解析 選C 傳感器是這樣一類元件 它能夠感受外界信息 并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信息的器件或裝置 即將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的元件 故A對(duì) 壓力傳感器就是將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的裝置 B對(duì) 話筒中的傳感器是聲傳感器 它將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào) 不是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲音信號(hào) C錯(cuò) 傳感器應(yīng)用在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中 擔(dān)負(fù)著信息采集和轉(zhuǎn)化任務(wù) 故D對(duì) 二 光電傳感器的原理及光敏電阻1 光電傳感器 是一種能夠感受光信號(hào) 并按照一定規(guī)律把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置 2 光敏電阻 在被光照射時(shí)電阻發(fā)生變化 可以把光照強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個(gè)電學(xué)量 3 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 以半導(dǎo)體材料硅為例說(shuō)明半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 圖5 1 2是硅原子排列示意圖 每個(gè)原子的最外層有4個(gè)電子 由于熱運(yùn)動(dòng)或其他原因 其中極少數(shù)電子可能獲得較大的能量 掙脫原子的束縛而成為自由電子 這樣 在原來(lái)的地方就留下一個(gè)空位 稱為 空穴 空穴相當(dāng)于一個(gè)正電荷 當(dāng)這個(gè)空穴由附近原子中的電子來(lái)填補(bǔ)時(shí) 就出現(xiàn)了一個(gè)新的空穴 這種變化相當(dāng)于空穴在移動(dòng) 圖5 1 2 如果有了外電場(chǎng) 自由電子和空穴會(huì)向相反的方向做定向移動(dòng) 于是在半導(dǎo)體中形成了電流 自由電子和空穴都叫做載流子 4 光敏電阻的特性當(dāng)光敏電阻受到光照射時(shí) 會(huì)有更多的電子獲得能量成為自由電子 同時(shí)也形成更多的空穴 于是導(dǎo)電性明顯地增強(qiáng) 電阻減小 不受光照射時(shí)的電阻阻值是受光照射時(shí)的100倍 1000倍 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 如圖5 1 3所示 將多用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于歐姆擋 再將電表的兩支表筆分別與光敏電阻RG的兩端相連 這時(shí)表針恰好指在刻度盤的中央 若用不透光的黑紙將RG包裹起來(lái) 表針將向 填 左 或 右 轉(zhuǎn)動(dòng) 若用手電筒光照射RG 表針將向 填 左 或 右 轉(zhuǎn)動(dòng) 圖5 1 3 解析 歐姆表的表盤刻度最右邊是0 最左邊是無(wú)窮大 將RG包裹起來(lái) 光敏電阻受光照變?nèi)?電阻增大 指針向左轉(zhuǎn)動(dòng) 用手電筒照射RG時(shí) 光敏電阻受光照變強(qiáng) 電阻減小 指針向右偏轉(zhuǎn) 答案 左右 三 溫度傳感器的原理及熱敏電阻1 溫度傳感器溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置 常見(jiàn)的溫度傳感器有熱敏電阻和熱電偶等 2 熱敏電阻熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成 當(dāng)半導(dǎo)體材料的溫度升高時(shí) 必定接收了外界的能量 自己的內(nèi)能增加 加劇內(nèi)部分子 或原子 的熱運(yùn)動(dòng) 使很多束縛電荷變?yōu)樽杂呻姾?載流子增多 增強(qiáng)了導(dǎo)電性 熱敏電阻有溫度系數(shù)大 靈敏度極高 反應(yīng)迅速 體積小 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) 3 熱敏電阻的兩種類型熱敏電阻的電阻率隨溫度變化而明顯變化 常見(jiàn)的有兩種類型 1 正溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC熱敏電阻 這種熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而增大 其特性與金屬熱電阻相似 其電阻隨溫度的變化圖象如圖5 1 4所示 圖5 1 4圖5 1 5 2 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 NTC熱敏電阻 這種熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而明顯減小 其電阻隨溫度的變化圖象如圖5 1 5所示 4 熱敏電阻的用途熱敏電阻可以將溫度這一非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化 進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電流或電壓這些電學(xué)量的變化 理論上說(shuō) 所有與溫度有關(guān)的問(wèn)題都可以使用熱敏電阻 熱敏電阻的靈敏性好但穩(wěn)定性較差 測(cè)溫范圍較小 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 3 如圖5 1 6所示 將萬(wàn)用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于 歐姆 擋 再將電表的兩支表筆與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt的兩端相連 這時(shí)表針恰好指在刻度盤的正中間 若往Rt上擦一些酒精 表針將向 填 左 或 右 移動(dòng) 若用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻 表針將向 填 左 或 右 移動(dòng) 圖5 1 6 解析 若往Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸發(fā)吸熱 熱敏電阻Rt溫度降低 電阻值增大 指針應(yīng)向左偏 用吹風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹向電阻 電阻Rt溫度升高 電阻值減小 指針向右偏 答案 左右 課堂互動(dòng)講練 全面了解汽車的運(yùn)行狀態(tài) 速度 水箱溫度 油量 是確保汽車安全行駛和駕駛員安全的舉措之一 為模仿汽車油表原理 自制一種測(cè)定油箱油量多少或變化多少的裝置 如圖5 1 7所示 其中電源電壓保持不變 R是滑動(dòng)變阻器 它的金屬滑片是金屬桿的一端 小陽(yáng)同學(xué)在裝置中使用了一只電壓表 圖中沒(méi)有畫出 通過(guò)觀察電壓表示數(shù) 可以了解油量情況 你認(rèn)為電壓表應(yīng)該接在圖中的 兩點(diǎn)之間 按照你的接法請(qǐng)回答 當(dāng)油箱中油量減少時(shí) 電壓表的示數(shù)將 填 增大 或 減小 對(duì)傳感器原理的認(rèn)識(shí) 圖5 1 7 精講精析 由題圖可知當(dāng)油箱內(nèi)液面高度變化時(shí) R的金屬滑片將會(huì)移動(dòng) 從而引起R兩端電壓的變化 且當(dāng)R R時(shí) UR IR可視為UR與R成正比 所以電壓表應(yīng)接在b c之間 當(dāng)油量減少時(shí) 電壓表示數(shù)將增大 答案 b c增大 方法總結(jié) 1 各類傳感器工作原理雖不完全相同 但都是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量 2 傳感器輸出的電學(xué)量有電流 電壓及電路通斷等多種形式 3 解此類問(wèn)題的基本思路 分析電路結(jié)構(gòu) 研究電阻的變化 判斷 計(jì)算 電流 電壓的變化 如圖5 1 8所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖 其中R1為光敏電阻 R2為定值電阻 此光電計(jì)數(shù)器的基本工作原理是 圖5 1 8 當(dāng)有光照射R1時(shí) 信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓 當(dāng)有光照射R1時(shí) 信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓 信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計(jì)數(shù)一次 信號(hào)處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計(jì)數(shù)一次A B C D 精講精析 R1為光敏電阻 當(dāng)有光照射時(shí) R1的阻值變小 R2上的電壓變大 信號(hào)處理系統(tǒng)獲得高電壓 由題意知 當(dāng)傳送帶上的物體擋住光時(shí) 信號(hào)處理系統(tǒng)獲得低電壓 這種電壓高低交替變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能 達(dá)到自動(dòng)計(jì)數(shù)的目的 故 說(shuō)法正確 答案 A 方法總結(jié) 對(duì)含光電傳感器的電路一般按以下思路分析 1 判斷電路的整體連接特點(diǎn) 2 由光敏電阻的變化判斷出整個(gè)電路總電阻的變化 3 根據(jù)閉合電路歐姆定律判斷干路中電流的變化 4 根據(jù)電路串并聯(lián)特點(diǎn)和歐姆定律判出各部分電路電壓和電流的變化 進(jìn)而得出電壓表 電流表示數(shù)的變化和各部分功率的變化 類型三 熱敏電阻的應(yīng)用 如圖5 1 9所示 R1為定值電阻 R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 L為小燈泡 當(dāng)溫度降低時(shí) 圖5 1 9 A R1兩端的電壓增大B 電流表的示數(shù)增大C 小燈泡的亮度變強(qiáng)D 小燈泡的亮度變?nèi)?思路點(diǎn)撥 自主解答 R2與燈L并聯(lián)后與R1串聯(lián) 與電源構(gòu)成閉合電路 當(dāng)熱敏電阻溫度降低時(shí) 電阻R2增大 外電路電阻增大 電流表讀數(shù)減小 路端電壓 E Ir 變大 R1兩端電壓 IR1 變小 燈L電壓 E Ir IR1 變大 燈泡亮度變強(qiáng) C正確 答案 C 變式訓(xùn)練如圖5 1 10所示是一火警報(bào)警器的一部分電路示意圖 其中R2為用半導(dǎo)體熱敏電阻 阻值隨溫度的升高而減小 制成的傳感器 電流表為值班室的顯示器 a b之間接報(bào)警器 當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí) 顯示器的電流I 報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況是 圖5 1 10 A I變大 U變大B I變小 U變小C I變小 U變大D I變大 U變小解析 選B 當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí) 半導(dǎo)體熱敏電阻R2的阻值減小 通過(guò)電源的電流增大 報(bào)警器兩端的電壓U減小 值班室的顯示器的電流減小 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全