高中物理 第6章 传感器 1 传感器及其工作原理课件 新人教版选修32.ppt

成才之路 物理 路漫漫其修远兮吾将上下而求索 人教版 选修3 2 传感器 第六章 第一节传感器及其工作原理 第六章 遥感卫星能在高空一览无遗地观测地貌植被 计算机的显示屏上能实时显示远隔千里的画面 机器人能替代人完成各种复杂的劳动 这些现代化设备 有的复杂庞大 有的简单精巧 但它们都需要一种装置 传感器来获取信息 那么 什么是传感器 它为什么能获取信息 工作原理又是什么呢 这一节我们就来探究这些问题 1 定义传感器是这样一类元件 它能够感受诸如力 化学成分等 量 并能把它们按照一定的规律转换为电压 电流等电学量 或转化为电路的 的元件 2 工作原理 传感器 温度 光 声 非电学 通断 1 特点电阻值随光照增强而 2 原理光敏电阻由半导体材料制成 无光照时 载流子极少 导电性能 随着光照的增强 载流子 导电性 3 作用光敏电阻能够把 这个光学量转换为 这个电学量 光敏电阻 减小 不好 增多 变好 光照强弱 电阻 热敏电阻和金属热电阻 减小 增大 范围大 温度 电阻 1 组成在一个很小的矩形 薄片上 制作4个电极e f m n 就成为一个霍尔元件 2 原理 霍尔元件 半导体 洛伦兹力 垂直 e f间通入恒定电流i 同时外加与薄片垂直的磁场b时 薄片中的载流子就在 作用下 向着与电流和磁场都 的方向漂移 使m n间出现电压 如图所示 3 霍尔电压uh d为薄片厚度 k为霍尔系数 一个霍尔元件的d k为定值 若保持i恒定 则uh的变化就与b成正比 4 作用霍尔元件能够把 这个磁学量转换为 这个电学量 磁感应强度 电压 一 传感器的工作原理1 工作过程2 敏感元件相当于人的感觉器官 是传感器的核心部分 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 3 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 4 转换电路是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量 如电压 电流 电阻等 a 压敏性b 光敏性c 热敏性d 三特性都利用了答案 b解析 利用光照的不同改变半导体元件的电阻率 实现光控制 二 常见的传感器元器件1 光敏电阻 1 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化 这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量 2 光敏电阻的电阻随光照的增强而减小 光敏电阻一般由半导体材料做成 当半导体材料受到光照时 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 于是导电性能明显增强 2 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 如图所示 为某一热敏电阻的 r t 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 利用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 利用非线性特性完成稳压 限幅 开关 过流保护作用 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 如上图中的 为金属热电阻 r t 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 a 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数变化较大 这只元件一定是热敏电阻b 置入热水中与不置入热水中相比 欧姆表示数不变化 这只元件一定是定值电阻 c 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比 欧姆表示数变化较大 这只元件一定是光敏电阻d 用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比 欧姆表示数相同 这只元件一定是定值电阻答案 ac解析 热敏电阻的阻值随温度变化而变化 定值电阻和光敏电阻不随温度变化 光敏电阻的阻值随光照变化而变化 定值电阻和热敏电阻不随之变化 3 霍尔元件 1 霍尔效应如图所示 厚度为h 宽度为d的导体放在与之垂直的磁感应强度为b的均匀磁场中 当电流通过导体时 在导体的上侧面a与下侧面a 之间会产生电势差 这种现象称为霍尔效应 u与b成正比 这就是为什么霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因 a 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量b 霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换成电流这个电学量c 电流和磁场方向如图中所示 载流子是正电荷 m端的电势比n端的电势高d 电流和磁场方向如图中所示 载流子是电子 m端的电势比n端的电势高答案 ad 解析 霍尔元件将磁感应强度转换为霍尔电压 故选项a正确 选项b错误 由左手定则可以判断出电荷所受的洛仑兹力指向n 如果载流子是正电荷 则n因聚集多余的正电荷而具有较高的电势 而当载流子是电子时 则n因聚集多余的电子而具有较低的电势 所以选项c错误 选项d正确 4 电容原理 电容器的电容c决定于极板正对面积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 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答案 abc 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位置变化 所以 甲 乙 丙 丁分别是测角度 高度 压力 位移的物理量 故abc正确 热敏电阻的特性 解析 将刚从冰箱中取出的雪糕靠近并接触热敏电阻 ntc热敏电阻是负温度系数的 降低温度 其电阻变大 表针向左偏转 将一杯热水靠近并接触热敏电阻 热敏电阻的温度升高 其电阻变小 指针将向右偏转 答案 左右点评 此类问题一定要弄清热敏电阻是负温度系数还是正温度系数的 另外金属热电阻都是正温度系数的 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 小灯泡的亮度变弱答案 c 解析 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 电流表读数变小 灯l两端电压增大 灯泡亮度变强 r1两端电压减小 故c正确 其余各项均错 光敏电阻的特性及应用 a 当有光照射r1时 信号处理系统获得低电压b 当有光照射r1时 信号处理系统获得高电压c 信号处理系统每获得一次低电压就计数一次d 信号处理系统每获得一次高电压就计数一次 答案 bc 将光敏电阻r和定值电阻r0 电流表 电压表连成如下图所示电路 电源电压恒为9v不变 闭合开关 若电流表的示数增大 表明光强在 电压表与电流表示数的比值将 选填 增大 减小 或 不变 答案 增大 不变 霍尔元件和干簧管 a 磁场无论是什么方向 c f两端都会有电势差b 只要保持磁感应强度大小不变 无论怎样改变磁场的方向 c f两端的电势差都不会发生变化c 当磁感应强度大小不变时 c f两端的电势差会随所加磁场方向的变化而变化d 在加上某一方向的磁场后 如果c f两端有电势差 其数值会随磁感应强度的增大而增大 解析 霍尔元件的工作原理是磁场对运动电荷会产生力的作用 但当电荷运动的方向与磁场方向平行时 就不会受到磁场力的作用 c f两端就不会产生电势差 选项ab错误 选项c正确 当有磁场时 如果c f两端产生电势差 其数值会随磁感应强度的增大而增大 选项d正确 答案 cd a 干簧管接入电路中相当于电阻的作用b 干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的c 干簧管接入电路中相当于开关的作用d 干簧管是作为电控元件以实现自动控制的 答案 cd解析 干簧管能感知磁场 因为两个舌簧由软磁性材料制成 当周围存在磁场时 两个舌簧被磁化 就会相互吸引 所以