5.15.2認(rèn)識傳感器常見傳感器的工作原理及應(yīng)用課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性

第五章傳感器1.認(rèn)識傳感器2.常見傳感器的工作原理及應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)CONTENT010203了解常見傳感器的應(yīng)用認(rèn)識光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻和電阻應(yīng)變片的特性了解傳感器的定義、種類、組成與應(yīng)用模式新課引入如圖所示，小盒子A的側(cè)面露出一個小燈泡，盒外沒有開關(guān)。如果把磁體B放到盒子上面，燈泡就會發(fā)光，把磁體移走，燈泡熄滅。盒子里有什么樣的裝置，才能出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象?原來，小盒子中有一種叫作“干簧管”的元件，它的結(jié)構(gòu)很簡單，玻璃管內(nèi)封入了兩個軟磁性材料制成的簧片。當(dāng)磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到開關(guān)的作用，操縱開關(guān)的是磁場這只看不見的“手”。干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器。那么，到底什么是傳感器？神奇的傳感器一“聲控—光控”開關(guān)晚上，當(dāng)我們進(jìn)入黑洞洞的樓道時，一跺腳，樓道燈自動開啟，但是這種情況在白天卻不會發(fā)生。這是因為樓道的燈安裝了“聲控—光控”開關(guān)。這個開關(guān)會感知環(huán)境的明暗和聲音的強(qiáng)弱。只有環(huán)境的亮度低于某一個數(shù)值，同時聲強(qiáng)高于某一數(shù)值時，聲控—光控開關(guān)才會接通，燈才會亮。知能提升紅外線傳感器一些賓館安裝了自動門，當(dāng)人走近時，門會自動打開；當(dāng)人離開時，門會自動關(guān)閉。原來，有的自動門裝有一種裝置，當(dāng)人走近時，可以檢測出人體向外輻射的紅外線，從而發(fā)出開關(guān)啟動的命令。這種裝置就是紅外線傳感器。紅外線傳感器乙醇傳感器交通警察在檢查司機(jī)是否酒后開車時，會讓司機(jī)對著“便攜式酒精檢測儀”呼氣，檢測儀就會顯示呼出氣體中的酒精濃度。這是因為檢測儀上裝有“乙醇傳感器”，它能感知乙醇的濃度。傳感器的定義傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等物理量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的另一個物理量(通常是電壓、電流等電學(xué)量)，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的意義把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制。傳感器的工作原理傳感器的種類二知能提升1.物理傳感器利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)制作而成，如力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等物理傳感器。利用壓力傳感器制成的電子秤2.化學(xué)傳感器利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號，如離子傳感器、氣體傳感器等化學(xué)傳感器。利用電化學(xué)氣體傳感器制成的可燃?xì)怏w報警器3.生物傳感器利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)，如酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等生物傳感器。利用葡萄糖生物傳感器制成的血糖儀4.其他分類方式（1）根據(jù)被測量的不同分類，可分為聲、光、壓力、位移、加速度、溫度等傳感器；（2）根據(jù)具體工作原理的不同，可分為電阻式、電容式、電感式、光電式、熱電式、壓電式、磁電式等傳感器。利用溫度傳感器制成的電子體溫計5.智能手機(jī)中的部分傳感器大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)制作的。這類傳感器種類最多，應(yīng)用領(lǐng)域也最廣泛。例如，一部普通的手機(jī)中就安裝有十幾種傳感器。傳感器的組成與應(yīng)用模式三知能提升1.傳感器的組成（1）傳感器的基本部分一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件組成。（2）敏感元件是指能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。它們分別完成檢測和轉(zhuǎn)換兩個基本功能。（3）如果敏感元件直接輸出的是電學(xué)量，它就同時兼為轉(zhuǎn)換元件。例如，熱電偶、壓電晶體都是這種敏感元件和轉(zhuǎn)換元件二者合一的傳感器。熱電偶溫度計2.信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路被測非電學(xué)量信號經(jīng)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件作用后，所輸出的電信號一般都比較弱，難以帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)去實現(xiàn)控制動作，因此要通過信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路把這個電信號放大。如果需要遠(yuǎn)距離傳送，還要把它轉(zhuǎn)換成其他電信號以抵御外界干擾。3.傳感器的應(yīng)用模式可以用指針式電表或數(shù)字屏等顯示測量的數(shù)據(jù)；也可以用來驅(qū)動繼電器或其他元件，來執(zhí)行諸如打開管道的閥門、開通或關(guān)閉電動機(jī)等動作；還可以用計算機(jī)對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)出更復(fù)雜的指令。概括起來，傳感器應(yīng)用的一般模式如圖所示。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。那么，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?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?光敏電阻四知能提升1.特性光敏電阻對光敏感。當(dāng)改變光照強(qiáng)度時，電阻的大小也隨著改變。一般隨著光照強(qiáng)度的增大電阻值減小。

光敏電阻2.材料制作光敏電阻的材料一般為半導(dǎo)體。如：硫化鎘。實驗：觀察光敏電阻特性3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理半導(dǎo)體靠其中的載流子（自由電子和空穴）來導(dǎo)電。4.光敏電阻特性形成原因無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，即載流子增多，導(dǎo)電性變好。5.光敏電阻的作用光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量。光敏電阻是光電傳感器中常見的光敏元件。6.光敏電阻的應(yīng)用在產(chǎn)品生產(chǎn)的流水線上，常需要對產(chǎn)品計數(shù)。如圖是利用光敏電阻自動計數(shù)的示意圖，其中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。當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時，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，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，實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。光電計數(shù)的基本原理觀察與思考：熱敏電阻金屬熱電阻溫度計金屬熱電阻和熱敏電阻五知能提升1.金屬熱電阻

（1）材料：金屬熱電阻是用金屬做成的。（2）特性：金屬熱電阻的阻值會隨著溫度的升高而增大，具有正溫度系數(shù)。（3）作用：金屬熱電阻能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成為電阻這個電學(xué)量。ORT金屬熱電阻的電阻隨溫度的變化關(guān)系2.熱敏電阻（1）材料：半導(dǎo)體。（2）特性：熱敏電阻的阻值會隨著溫度的升高而減小，具有負(fù)溫度系數(shù)。（3）作用：熱敏電阻能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成為電阻這個電學(xué)量。熱敏電阻的電阻隨溫度的變化關(guān)系ORT3.金屬熱電阻和熱敏電阻的應(yīng)用如圖所示，一些汽車的低油位報警器采用熱敏電阻來檢測油箱的警戒油位。若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，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，發(fā)熱導(dǎo)致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮。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。液位報警示意圖甲乙1.電阻應(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，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)。2.電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片就是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)原理制成的。電阻應(yīng)變片能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換成為電阻這個電學(xué)量。電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片六知能提升3.力傳感器的應(yīng)用——電子秤我們經(jīng)常見到的電子秤，它所使用的測力器件是力傳感器。（1）組成：由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成。（2）敏感元件：電阻應(yīng)變片。（3）結(jié)構(gòu)：如圖所示，稱為應(yīng)變式力傳感器。應(yīng)變片測力原理（4）原理：如圖所示，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。如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越大。4.力傳感器的其他應(yīng)用力傳感器除了測量重力外（如圖所示），應(yīng)變式力傳感器也用來測量其他各種力，如汽車和卷揚(yáng)機(jī)的牽引力等。力傳感器的應(yīng)用如圖所示，當(dāng)被測物體在左、右方向發(fā)生位移時，電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動。如果測出了電容的變化，就能知道物體位置的變化電容式位移傳感器能夠把物體位移這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個電學(xué)量。電容式位移傳感器示意圖電容式位移傳感器拓展學(xué)習(xí)：電容器極板x電介質(zhì)板被測物體拓展學(xué)習(xí)：霍爾效應(yīng)在勻強(qiáng)磁場中放置一個矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時，導(dǎo)體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。由于霍爾效應(yīng)使導(dǎo)體內(nèi)所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢差，也稱霍爾電壓?；魻栐谝粋€很小的矩形半導(dǎo)體（如砷化銦）薄片上，制作四個電極E、F、M、N，它就成了一個霍爾元件。在E、F間通入恒定的電流I，同時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)度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。因此霍爾元件又稱磁敏元件。

典例精析例1.

如圖所示，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(

)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)踅馕觯篟2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，電阻R2增大，外電路電阻增大，電流表讀數(shù)減小，燈L兩端電壓增大，燈泡亮度變強(qiáng)，R1兩端電壓減小，故選項C正確。C例2.（多選）如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中R1為光敏電阻，R2為定值電阻。此光電計數(shù)器的基本工作原理是(

)A．當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B．當(dāng)有光照射R1時，信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C．信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就計數(shù)一次D．信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次解析：當(dāng)有光照射R1時，R1電阻減小，由串聯(lián)分壓可知信號處理系統(tǒng)獲得低電壓，B對；當(dāng)工件經(jīng)過時，光被工件擋住，計時器就計數(shù)一次，此時信號處理系統(tǒng)獲得高電壓，即信號處理系統(tǒng)每獲得一次高電壓就計數(shù)一次，D對，故選BD。BDAR1R2信號處理系統(tǒng)課堂小結(jié)一、神奇的傳感器二、傳感器的種類三、傳感器的組成和應(yīng)用模式四、光敏電阻五、金屬熱電阻和熱敏電阻六、電阻應(yīng)變片跟蹤練習(xí)1.有一些星級賓館的洗手間裝有自動干手機(jī)，洗手后將濕手靠近，機(jī)內(nèi)的傳感器就開通電熱器加熱，有熱空氣從機(jī)內(nèi)噴出，將濕手烘干，手靠近干手機(jī)能使傳感器工作，是因為(

)A．改變濕度 B．改變溫度C．改變磁場 D．改變電容解析：人是一種導(dǎo)體，可以與其他導(dǎo)體構(gòu)成電容器．手靠近時改變了電容大小.D2.如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(

)A．電壓表的示數(shù)增大B．R2中電流減小C．小燈泡的功率增大D．電路的路端電壓增大解析：R3阻值減小，R1兩端電壓因干路電流增大而增大(電壓表的示數(shù)增大)，同時內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓減小，A項正確，D項錯誤.由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項正確.結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大.ABC待測壓力F固定電極膜片電極3.傳感器是一種采集信號的重要器件，如圖是一種測定壓力的電容式傳感器，當(dāng)待測壓力F作用于可動膜片產(chǎn)生變形，引起電容的變化，若將電容器、靈敏電流計和電源串聯(lián)接成閉合電路，那么（）A．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將減小B．當(dāng)F向上壓膜片電極時，電容將增大C．若電流計有示數(shù)，則壓