高中物理 第5章 传感器及其应用 第1、2节 揭开传感器的“面纱”、常见传感器的工作原理课件 鲁科版选修32.ppt

传感器及其应用 第5章 第1节揭开传感器的 面纱 第2节常见传感器的工作原理 记学习目标 1 知道什么是传感器 2 知道非电学量转换成电学量的技术意义 3 了解传感器的基本构成及各部分作用 4 通过动手制作体会传感器的工作原理 学基础导学 1 定义 能够感受外界信息 并将其按照一定的规律转换成 的器件或装置 叫做传感器 2 应用 传感器通常应用在 和自动控制系统中 担负着信息采集和转化任务 与压力 位移 速率 加速度 流量 温度 浓度等 相比 电压 电流 电阻 电容和电感等电学量更加便于仪表显示和用于自动控制 所以传感器通常需要把 量转化为 量 一 什么是传感器 电信号 自动测量 非电学量 非电学 电学 1 种类 按传感器工作原理的不同把传感器分为 传感器 传感器和 传感器 1 传感器是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 如电容传感器 电感传感器 光电传感器 压电传感器等 二 种类繁多的传感器 物理 化学 生物 物理 2 传感器是利用化学反应识别和检测信息的传感器 如气敏传感器 湿敏传感器等 3 传感器是指通过生物化学反应识别和检测信息的传感器 它是由固定生物体和适当转换器件组合成的系统 如组织传感器 细胞传感器 酶传感器等 化学 生物 2 传感器的一般结构 1 结构 传感器一般由 元件 转换元件和 电路组成 有时还需要加辅助电源 敏感 转换 2 各部分的功能 敏感元件 是传感器的核心部分 利用材料的某种 制成的 转换元件 是传感器中将 信号转换成 的电子元件 转换电路 作用是将转换电路得到的电信号转换成易于传输或测量的 输出 敏感特性 非电学 电信号 电学量 1 光电传感器 光电传感器是一种能够感受 信号 并按照一定规律把 信号转换成 信号的器件或装置 它采用的敏感元件是 电阻 2 光敏电阻 光敏电阻是用金属硫化物等 材料制成的 当光照射到这些半导体物质上时 它的电阻率 阻值也随之 入射光强 电阻 入射光弱 电阻 3 光电传感器的工作原理 光敏电阻能够把 这个光学量转换为 这个电学量 三 光电传感器的原理 光 光 电 光敏 半导体 减小 减小 小 大 光照强弱 电阻 1 温度传感器 温度传感器是一种将 变化转换为 变化的装置 2 敏感元件 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 3 热敏电阻 半导体的电阻会随温度的变化而改变 热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的 上述实验使用的ntc热敏电阻的阻值随温度的升高而减小 还有一种ptc热敏电阻 它的阻值随温度的升高而 四 探究温度传感器的原理 温度 电学量 热敏电阻 热电阻 温度 增大 4 温度传感器的工作原理 温度传感器利用的是热敏电阻或金属热电阻能够把 这个热学量转换为 这个电学量的特性 5 应用 热敏电阻是一种灵敏度极高的温度传感器 在测温过程中响应非常快 利用热敏电阻制成的电子体温计能很快测出体温 家用电器 如电脑 空调 电冰箱等 的温度传感器主要使用 电阻 温度 电阻 热敏 悟名师指点 1 三类传感器的异同 1 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 2 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 一 三类传感器的异同及常见传感器 2 几种常见传感器的工作原理及用途比较 传感器与电脑相结合 构成了神通广大的自动控制与自动测量系统 物理传感器作为开发最早的一类传感器 种类繁多 性能稳定 技术成熟 应用也最广泛 发现新的敏感材料是开发新式传感器的基础 1 下列关于传感器的说法正确的是 a 所有传感器的材料都是由半导体材料做成的b 金属材料也可以制成传感器c 传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号d 温度传感器只能由半导体材料制成解析 半导体材料可以制成传感器 其他材料也可以制成传感器 如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计 所以a错 b正确 d错 传感器不但能感知电压的变化 还能感受力 温度 光 声 化学成分等非电学量 所以c错 答案 b 1 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 下图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 二 半导体的导电机理及光敏电阻的特性 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 carrier 2 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 1 半导体材料的导电机理决定了光敏电阻的电阻特性 不要将光敏电阻与金属电阻混淆 2 光照越强 光敏电阻的电阻率越小 反之则越大 2 如图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 a 当有光照射r1时 信号处理系统获得高电压b 当有光照射r1时 信号处理系统获得低电压c 信号处理系统每获得一次低电压就记数一次d 以上说法都不对解析 当光照射光敏电阻r1时 光敏电阻r1的阻值减小 回路中电流增大 r2两端的电压升高 信号处理系统得到高电压 计数器每由高电压转到低电压 就计一次数 从而能达到计数的目的 故正确答案为a c 答案 ac 1 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 三 热敏电阻的特性 分类及应用 2 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 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 3 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 1 热敏电阻的阻值随温度的升高其阻值有可能减小 也有可能增大 2 半导体热敏电阻虽然有很多优点 但其测温范围较小 3 半导体热敏电阻不能用来制造标准电阻 3 如图所示 将多用电表的选择开关置于 欧姆 挡 再将电表的两支表笔与负温度系数热敏电阻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 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 所以电流减小 指针应向左偏 用吹风机将热风吹向电阻 热敏电阻rt温度升高 电阻值减小 电流增大 指针向右偏 答案 左右 1 电容式传感器的工作原理电容器的电容c决定于极板正对面积s 板间距离d以及极板间的电介质这几个因素 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个因素的变化 必将引起电容的变化 通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化 四 电容式传感器的原理及应用 2 电容式传感器的一些常见应用 1 图甲是用来测定角度 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 甲乙 2 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 4 图丁是测定位移s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s的变化情况 丁 4 电容式传感器是用来将各种非电信号转变为电信号的装置 由于电容器的电容c取决于极板正对面积s 极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素 当某一物理量发生变化时就能引起上述某个因素的变化 从而又可推出另一个物理量的值 如图所示是四种电容式传感器的示意图 关于这四种传感器的作用 下列说法不正确的是 a 甲图的传感器可以用来测量角度b 乙图的传感器可以用来测量液面的高度c 丙图的传感器可以用来测量压力d 丁图的传感器可以用来测量速度解析 甲图角度变化能导致极板正对面积变化 乙图高度变化能导致极板正对面积变化 丙图f变化能导致极板间距变化 丁图物体位置变化导致电介质变化 所以 甲 乙 丙 丁分别是测角度 高度 压力 位移的物理量 答案 d 1 生物传感器的定义 生物传感器是指用固定化的生物体成分 酶 抗原 抗体 激素等 或生物体本身 细胞 细胞器 组织等 作为敏感元件 利用生物化学反应识别和检测信息的传感器 五 生物传感器的特点 2 生物传感器的特点除了生物传感器的感受器中含有生命物质 这是生物传感器与物理传感器和化学传感器的本质区别 生物传感器还有以下特点 1 采用固定化生物活性物质作催化剂 价值昂贵的试剂可以重复多次使用 克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点 2 专一性强 只对特定的底物起反应 而且不受颜色 浊度的影响 3 分析速度快 可以在一分钟得到结果 4 准确度高 一般相对误差可以达到1 5 操作系统比较简单 容易实现自动分析 6 成本低 在连续使用时 每例测定仅需要几分钱人民币 7 有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生 在产物控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息 5 2008年 中国牛奶行业经历了一次严峻考验在 许多牛奶制品中被检测出化学原料三聚氰胺 在多种检测三聚氰胺的方法中有一种 酶标法检测 若这种检测方法 使用了传感器 应为传感器中的哪一类 a 物理传感器b 化学传感器c 生物传感器d 温度传感器解析 检测方法为酶标法 所以其原理应该是利用了生物酶 故应为生物传感器 所以c正确 答案 c 讲典例精析 如图所示 r1 r2为定值电阻 l为小灯泡 r3为光敏电阻 当光照强度增大时 a 电压表的示数增大b r2中的电流减小c 小灯泡的功率增大d 电路中的路端电压增大 光电传感器的特性及应用 解析 当光强增大时 r3的阻值减小 外电路电阻随r3的减小而减小 随之是干路电流增大 r1上的电压增大 所以v的示数增大 同时内电压增大 路端电压减小 所以有r2并联的整部分电压减小 使通过r2的电流减小 因此通过灯泡支路的电流是增大的 故有小灯泡变亮 即功率增大 选项a b c正确 答案 abc 光敏电阻的变化 造成整个电路的总电阻变化 解决这类问题的方法是 先研究由于个别电阻的变化而引起的电路中的总电阻怎么变化 再分析总电流怎样变化 接着分析路端电压怎样变化 最后分析各支路 这是传感器与直流电路的综合问题 1 1 利用光敏电阻制作的光传感器 记录了传送带上工件的输送情况 如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器 光传感器b能接收到发光元件a发出的光 每当工件挡住a发出的光时 光传感器输出一个电信号 并在屏幕上显示出电信号与时间的关系 如图乙所示 若传送带始终匀速运动 每两个工件间的距离均为0 2m 则下列说法中正确的是 a 传送带运动的速度是0 1m sb 传送带运动的速度是0 2m sc 该传送带每小时输送3600个工件d 该传送带每小时输送7200个工件 解析 在该计数装置中 a是发光的光源 b是光传感器 b中的主要元件是光敏电阻 当没有光照射b时 传感器计数一次 由图可看出 1s计数1次 两工件间距离为0 2m 所以传送带运动速度是0 2m s 每小时输送3600个工件 故正确答案为bc 答案 bc 下图为某一热敏电阻 电阻值随温度的改变而改变 且对温度很敏感 的i u关系曲线图 温度传感器的特性及应用 1 为了通过测量得到如图所示i u关系的完整曲线 在下图甲 乙两个电路中应选择的是图 简要说明理由 电源电动势为9v 内阻不计 滑动变阻器的阻值为0 100 2 在图丙所示电路中 电源电压恒为9v 电流表读数为70ma 定值电阻r1 250 由热敏电阻的i u关系曲线可知 热敏电阻两端的电压为 v 电阻r2的阻值约为 3 举出一个可以应用热敏电阻的例子 解析 1 由题给热敏电阻的i u图线知 i u关系图线是0 6v间连续曲线 热敏电阻的阻值非定值 在选择实验电路时电路必须能保证提供0 6v间的连续电压 所以电路应选择甲电路 2 根据电源电压可求出电阻r1的电流为36ma 所以热敏电阻的电流为34ma 由图可以读出热敏电阻两端的电压为5 2v 因此r2两端的电压为3 8v 即可求出r2电阻约为111 8 答案 1 甲电压可从0v调到所需电压 调节范围较大 2 5 2111 8 111 6 112 0均正确 3 热敏温度计 提出其他实例 只要合理均可 2 1 如图所示 r1为定值电阻 r2为负温度系数的热敏电阻 负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻 l为小灯泡 当温度降低时 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 解析 r2与灯l并联后与r1串联 与电源构成闭合电路 当温度降低时 热敏电阻r2阻值增大 外电路电阻增大 电流表读数减小 灯l电压增大 灯泡亮度变强 r1两端电压减小 故c正确 其余各项均错误 答案 c 电容器的电容c决定于极板正对面积s 极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素 如果某一物理量 如角度 位移x 深度h等 的变化能引起上述某个因素的变化 将引起电容的变化 通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化 电容式传感器的特性及应用 传感器是一种采集信息的重要器件 如图所示是由电容器作为传感器来测定压力变化的 当待测压力作用于膜片电极上时 下列说法正确的是 若f向下压膜片电极 电路中有从a到b的电流 若f向下压膜片电极 电路中有从b到a的电流 若f向下压膜片电极 电路中不会有电流产生 若电流表有示数 说明压力f发生变化 若电流表有示数 说明压力f不会发生变化a b c d 答案 a 3 1 如图所示 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 导线芯和导电液构成电容器的两极 把这两极接入外电路 当外电路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 解析 由题意知 导线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 导电芯和导电液体正对面积增大 电容器的电容值变大 答案 a 试综合应用 传感器担负着信息采集的任务 在自动控制中发挥着重要作用 传感器能够将感受到的物理量 如温度 光 声等 转换成便于测量的量 通常是电学量 例如热传感器 主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻 热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示 图乙是用热敏电阻r1作为传感器制作的简单自动报警器原理图 则 传感器的应用 1 为了使温度过高时报警器铃响 开关应接在 填 a 或 b 2 若使启动报警的温度提高些 应将滑动变阻器的滑片p向 移动 填 左 或 右 思路点拨 通电螺线管和弹簧共同作用 实现报警器电路的通断 磁性增强 电路接通 报警器报警 磁性减弱 电路断开 报警器不响 解析 温度较高时 热敏电阻阻值减小 图乙中通电螺线管的磁性增强 将与弹簧相连的金属导体向左吸引 要使报警器所在电路接通并报警的话 开关应接在a 要实现温度更高时 即热敏电阻更小时才将报警器电路接通的话 应该将滑动变阻器连入电路的阻值调大 即p向左移动 答案 1 a 2 左 电路中的光敏电阻 热敏电阻随光照或温度的变化阻值发生变化时 电路中的电流 每一段电路两端的电压都要发生变化 即电路发生动态变化 分析顺序遵循从部分到整体再到部分的思路进行分析 高