【物理】常見傳感器的工作原理及應(yīng)用課件-2023-2024學(xué)年高二下人教版（2019）選擇性必修第二冊

第2節(jié)

常見傳感器

的工作原理及應(yīng)用第五章人教版（2019）選擇性必修二CONTENTS目錄光敏電阻01金屬熱電阻和熱敏電阻02電阻應(yīng)變片03學(xué)以致用提高練習(xí)05霍爾元件04

我們知道，傳感器可以感受光強(qiáng)、溫度、力、磁等非電學(xué)量，并把它們轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量輸出。問題1：常見的傳感器是怎樣感知非電學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的呢？問題2：利用不同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應(yīng)用呢？新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)隨堂練習(xí)布置作業(yè)一、光敏電阻1.光敏電阻的制作①結(jié)構(gòu)：把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個(gè)互不相連的梳狀電極，這樣就制成了一個(gè)光敏電阻。②原理：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為硫化鎘是半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。③作用：把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。下面我們通過實(shí)驗(yàn)來研究光敏電阻特性。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2.實(shí)驗(yàn)：觀察光敏電阻特性（1）實(shí)驗(yàn)器材多用電表、遮光盒、手電筒、導(dǎo)線（2）實(shí)驗(yàn)步驟①選擇開關(guān)置于倍率為×100的電阻擋，同時(shí)把多用電表重新進(jìn)行歐姆調(diào)零。②如圖，連接光敏電阻，在室內(nèi)自然光的照射下，觀察電阻的大小，把數(shù)據(jù)記錄到表格中。③用遮光盒遮住光線，用多用電表測出此時(shí)光敏電阻的阻值，把數(shù)據(jù)記錄到表格中。④用手電筒照射光敏電阻，用多用電表測出此時(shí)光敏電阻的阻值，把數(shù)據(jù)記錄到表格中。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)實(shí)驗(yàn)器材模擬光照條件光敏電阻阻值無自然光遮光盒幾乎無光手電筒較強(qiáng)光約350歐約25000歐約100歐（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（4）實(shí)驗(yàn)演示（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)論光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生變化，一般會隨著光照強(qiáng)度的增大而電阻值減小。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)AB3.光敏電阻的應(yīng)用——光電計(jì)數(shù)器（1）光電計(jì)數(shù)器的組成如圖：A是發(fā)光儀器，B是接收光信號的儀器，B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。（2）光電計(jì)數(shù)的原理當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值較小，供給信號處理系統(tǒng)的電壓變低；當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值變大，供給信號處理系統(tǒng)的電壓變高。這種高低交替變化的信號經(jīng)過處理，就會轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)二、金屬熱電阻和熱敏電阻1.金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度的升高而增大。用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。RTO金屬熱電阻隨溫度的變化關(guān)系2.熱敏電阻：有些半導(dǎo)體在溫度上升時(shí)導(dǎo)電能力增強(qiáng)。用半導(dǎo)體材料制作熱敏電阻。RTO熱敏電阻隨溫度的變化關(guān)系優(yōu)缺點(diǎn)：熱敏電阻靈敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測量范圍較??；金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性較好，測量范圍較大，但靈敏度較差。

常用的一種熱電阻是用鉑制作的，可用來做電阻溫度計(jì)。注意：把溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)3.金屬熱電阻與熱敏電阻特性金屬熱電阻特性熱敏電阻特性新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)4.應(yīng)用（1）利用金屬熱電阻和熱敏電阻的阻值與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，可用來測量溫度。（2）低油位報(bào)警裝置低油位報(bào)警裝置原理：給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發(fā)熱。當(dāng)液面高于熱敏電阻的高度時(shí)，熱敏電阻發(fā)出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮。當(dāng)液體減少、熱敏電阻露出液面時(shí)，發(fā)熱導(dǎo)致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮。油位高→電阻大→燈不亮油位低→電阻小→燈亮通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)三、電阻應(yīng)變片1.電阻應(yīng)變片：是一種使用非常廣泛的力敏元件。2.電阻應(yīng)變效應(yīng)：①金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變（伸長或縮短）時(shí)，其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。根據(jù)電阻的定義式：拉力→L變長→S變小→電阻變大壓力→L變短→S變大→電阻變小②半導(dǎo)體電阻壓阻效應(yīng)：當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為壓阻效應(yīng)。電阻應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。3.電阻應(yīng)變片原理：新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)4.電阻應(yīng)變片的應(yīng)用——力傳感器常見的一種力傳感器：應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變片金屬梁金屬梁應(yīng)變片應(yīng)變片F(xiàn)

在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面應(yīng)變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越大。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)知識拓展——電容式位移傳感器問題：如圖所示，當(dāng)被測物體在左、右方向發(fā)生位移時(shí)，電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動(dòng)。如果測出了電容的變化，就能知道物體位置的變化。用什么方法可以檢測電容的變化？根據(jù)電容的定義式，可知，給電容器帶上一定的電荷，然后用靜電計(jì)來檢測兩極板間電勢差的變化，就可判斷電容的變化。

電容式位移傳感器能把物體的位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)知識拓展——電容式位移傳感器（1）改變S：測量角度θ、液面高度h等定片動(dòng)片θ電介質(zhì)金屬芯線導(dǎo)電液體角度、深度位移、壓力電容傳感器電容（2）改變d：測量壓力F待測壓力F固定電極可動(dòng)電極（3）改變ε：測量位移x電容器極板電介質(zhì)板被測物體電容式位移傳感器x新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)四、霍爾元件霍爾元件的應(yīng)用及原理1——測量磁場的大小導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)要強(qiáng)于導(dǎo)體。在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（如砷化銦）薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M、N，它就成了一個(gè)霍爾元件（如圖）。在E、F間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，則在M、N間可出現(xiàn)霍爾電壓UH。通過分析可知，霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有線性關(guān)系，因此利用霍爾元件可以測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向?；魻栐軌虬汛鸥袘?yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)霍爾元件的應(yīng)用及原理2——測量微小位移在兩塊磁感應(yīng)強(qiáng)度相同、同極相對放置的磁體縫隙中放入霍爾元件，當(dāng)霍爾元件處于中間位置時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0，霍爾電壓UH為0，可將該點(diǎn)作為位移的零點(diǎn)。當(dāng)霍爾元件沿著±z方向移動(dòng)時(shí)，則有霍爾電壓輸出，且電壓大小與位移大小成正比，從而能夠?qū)崿F(xiàn)微小位移的測量。利用霍爾元件測量微小位移新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)常見傳感器的工作原理及應(yīng)用光敏電阻光敏電阻對光敏感，當(dāng)改變光照強(qiáng)度時(shí)，電阻的大小也隨著改變。一般會隨著光照強(qiáng)度的增大而電阻值減小能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量金屬熱電阻和熱敏電阻金屬熱電阻:金屬的電阻率隨溫度升高而增大熱敏電阻:用半導(dǎo)體材料制成,在溫度上升時(shí)導(dǎo)電能力增強(qiáng)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片：是一種使用非常廣泛的力敏元件電容式位移傳感器能把物體的位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量霍爾元件布置作業(yè)課堂小結(jié)新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)五、學(xué)以致用提高練習(xí)1.在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關(guān)，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是（）A．光傳感器 B．溫度傳感器

C．聲傳感器 D．磁傳感器【答案】A【解析】在電梯門口放置一障礙物，會發(fā)現(xiàn)電梯門不停地開關(guān)，這是由于在電梯門上裝有的傳感器是光傳感器。故選A。隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)2.非觸摸式自動(dòng)感應(yīng)水龍頭如圖所示,其應(yīng)用的傳感器是(

)A.壓力傳感器 B.光電傳感器C.生物傳感器 D.溫度傳感器答案:B解析:自動(dòng)感應(yīng)水龍頭應(yīng)用的是光電傳感器。隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)3.如圖甲所示,光敏電阻R2上加上如圖乙所示的光照,那么R2兩端的電壓變化是下列圖中的(

)答案:B解析:光敏電阻阻值隨光照的增強(qiáng)而減小,根據(jù)題圖知R2兩端的電壓隨光照的增強(qiáng)而減小,但不會是零,所以選B。隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)4.(多選)在溫控電路中,通過熱敏電阻阻值隨溫度的變化可實(shí)現(xiàn)對電路相關(guān)物理量的控制。如圖所示電路,R1為定值電阻,R2為半導(dǎo)體熱敏電阻(溫度越高電阻越小),C為電容器。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)(

)A.電容器C的帶電荷量增大B.電壓表的讀數(shù)增大C.電容器C兩板間的電場強(qiáng)度減小D.R1消耗的功率增大答案:AB隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)5.(多選)霍爾元件的示意圖如圖所示,一塊通電的銅板放在磁場中,銅板的前、后板面垂直于磁場,板內(nèi)通有如圖方向的電流,a、b是銅板上、下邊緣的兩點(diǎn),則(

)A.電勢φa>φbB.電勢φb>φaC.B一定,電流增大時(shí),|φa-φb|增大D.其他條件不變,將銅板改為NaCl溶液時(shí),電勢結(jié)果仍然一樣解析:銅板中的自由電荷是電子,電子定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反,由左手定則可判斷出電子因受洛倫茲力作用向b側(cè)偏轉(zhuǎn)