人教新课标高中物理选修传感器及其工作原理张.pptx

,第六章传感器,第一节传感器及其工作原理,第1页,第1页,第2页,第2页,1,知道什么是传感器及传感器工作原理,2,掌握制作传感器惯用元件特性,(,重点,),3,在理解传感器特性基础上，掌握各元件简朴应用,(,难点,),第3页,第3页,一、什么是传感器,1,定义,感受,量，并能把它们按照一定规律转换为,量，或转换为电路,一类元件,2,工作原理,非电学,电学,通断,第4页,第4页,二、光敏电阻,1,特点,电阻值随光照增强而,2,原因分析,光敏电阻由半导体材料制成，无光照时，载流子,，导电性能,；伴随光照增强，载流子,，导电性,3,作用,把,这个光学量转换为,这个电学量,减小,很少,不好,不好,变好,光照强弱,电阻,第5页,第5页,三、热敏电阻和金属热电阻,热敏电阻,金属热电阻,特点,电阻率随温度升高而,_,电阻率随温度升高而,_,制作材料,长处,灵敏度好,化学稳定性好，,测温范围大,作用,将,这个热学量转换为,这个电学量,减小,增大,半导体,金属,温度,电阻,第6页,第6页,利用半导体导电机理阐明氧化锰热敏电阻电阻率为何会随温度升高而减小？,提醒：,温度越高，半导体中载流子数目越多，因此导电性能越强,第7页,第7页,四、霍尔元件,1,构成,在一个很小矩形半导体薄片上，制作,4,个电极,E,、,F,、,M,、,N,，就成为一个霍尔元件,第8页,第8页,2,原理,E,、,F,间通入恒定电流,I,，同时外加与薄片垂直磁场,B,时，薄片中载流子就在,力作用下，向着与,和,都垂直方向漂移，使,M,、,N,间出现,(,如图,),洛伦兹,电流,磁场,电压,第9页,第9页,3,霍尔电压,U,H,，,d,为薄片厚度，,k,为霍尔系数一个霍尔元件,d,、,k,为定值，若保持,I,恒定，则,U,H,就与,B,成,4,作用,把,这个磁学量转换为,这个电学量,正比,磁感应强度,电压,第10页,第10页,第11页,第11页,一、传感器,1,传感器作用：,能像人感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定规律和要求，把这些信息转换成可用输出信息器件和装置，叫做传感器传感器是各种测量和自动控制系统,“,感受器官,”,2,传感器特点：,它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成份等非电学量，并能把它们按照一定规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路通断,第12页,第12页,3,传感器原理：,传感器感受通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱，通常要通过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作即：,第13页,第13页,二、光敏电阻,1,特点：,阻值伴随光照强度增大而减小,2,电阻改变原因：,硫化镉是一个半导体材料，无光照时，载流子很少，导电性能不好；伴随光照增强，载流子也增多，导电性能变好，电阻变小,第14页,第14页,3,作用：,光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量,4,构成材料：,光敏电阻普通由半导体材料做成，当半导体材料受到光照而温度升高时，会有更多电子取得能量成为自由电子，同时也形成更多空穴，于是导电性能明显增强。,第15页,第15页,三、热敏电阻和金属热电阻,1,热敏电阻：,用半导体材料制成，其电阻值随温度改变明显，如图所表示为某一热敏电阻电阻,温度特性曲线,第16页,第16页,2,热敏电阻两种型号及其特性：,热敏电阻器是电阻值随温度改变而改变敏感元件在其工作温度范围内，电阻值随温度上升而增长是正温度系数,(PTC),热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小是负温度系数,(NTC),热敏电阻器普通惯用是负温度系数热敏电阻器,第17页,第17页,3,热敏电阻器分类,分类方式,类别,电阻温度特性,正温度系数、负温度系数,材料,金属、半导体,(,单晶、多晶、陶瓷,),结构,珠状、片状、杆状、膜状,工作方式,直热式、旁热式,工作温度,常温、高温、低温,用途,测温、控温、辐射能,(,功率,),测量、稳压,(,稳辐,),等,第18页,第18页,4,金属热电阻：,有些金属电阻率随温度升高而增大，这样电阻能够制成温度传感器，称为热电阻,如图为某金属导线电阻,温度特性曲线,第19页,第19页,【,温馨提醒,】,按热敏电阻随温度改变规律，热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻，正温度系数热敏电阻随温度升高，电阻增大，负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小,第20页,第20页,四、霍尔元件工作原理,霍尔元件就是利用霍尔效应来设计一个矩形霍尔材料薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所表示，沿,PQ,方向通入电流,I,，垂直于薄片加匀强磁场,B,，则在,MN,间会出现电势差,U,.,第21页,第21页,第22页,第22页,第23页,第23页,五、电容式传感器,1,原理,电容器电容,C,取决于极板正对面积,S,，极板间距离,d,及极板间电介质这几种原因，假如某一物理量,(,如角度,、位移,x,、深度,h,等,),改变能引起上述某一原因改变，从而引起电容改变，那么测定电容器电容就能够拟定上述物理量改变,第24页,第24页,2,用途,第25页,第25页,图,(1),是用来测定角度,电容式传感器，当动片与定片之间角度,发生改变时，引起极板正对面积,S,改变，使电容,C,发生改变，知道,C,改变，就能够知道,改变情况,图,(2),是测定液面高度,h,电容式传感器，在导线芯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两个极，导线芯外面绝缘物质就是电介质，液面高度,h,发生改变时，引起正对面积发生改变，使电容,C,发生改变知道,C,改变，就能够知道,h,改变情况,第26页,第26页,图,(3),是测定压力,F,电容式传感器，待测压力,F,作用于可动膜片电极上时候，膜片发生形变，使极板间距离,d,发生改变，引起电容,C,改变，知道,C,改变，就能够知道,F,改变情况,图,(4),是测定位移,x,电容式传感器，伴随电介质进入极板间长度发生改变，电容,C,发生改变，知道,C,改变，就能够知道,x,改变情况,第27页,第27页,第28页,第28页,第29页,第29页,关于干簧管，下列说法正确是,A,干簧管接入电路中相称于电阻作用,B,干簧管是依据热胀冷缩原理制成,C,干簧管接入电路中相称于开关作用,D,干簧管是作为电控元件以实现自动控制,对传感器理解,第30页,第30页,思绪点拨：,解答本题时应把握下列两点：,(1),干簧管原理是磁铁磁效应使两个簧片磁化成相反磁极,(2),干簧管在电路中起到开关作用,解析：,干簧管能感知磁场，是由于两个簧片由软磁性材料制成，当周围存在磁场时，两个簧片被磁化，就会互相吸引，可当做开关来使用，作为控制元件以实现自动控制,答案：,CD,第31页,第31页,【,题后总结,】,干簧管接入电路，管内两个簧片在磁场作用下控制电路通断，起到自动控制电路作用，因此在实际生活、生产中有大量利用，如光电报警器等,第32页,第32页,【,针对训练,】1.,下列说法正确是,(,),A,传感器担负着信息采集任务,B,干簧管是一个能够感知磁场传感器,C,传感器不是电视遥控接受器主要元件,D,传感器是把力、温度、光、声、化学成份转换为电信号主要工具,答案：,BD,第33页,第33页,如图，,R,1,、,R,2,为定值电阻，,L,是小灯泡，,R,3,为光敏电阻，当照射光强度增大时,A,电压表示数增大,B,R,2,中电流强度减小,C,小灯泡功率增大,D,电路路端电压减少,对光敏电阻理解,第34页,第34页,解析：,答案：,ABCD,第35页,第35页,【,题后总结,】,本题易错点：不明确光照强度增大后，光敏电阻阻值如何改变，以至于无法判断电路中电流、电压分派关系如何改变,第36页,第36页,【,针对训练,】2.,如图所表示，,R,3,是光敏电阻，当开关,S,闭合后，在没有光照射时，,a,、,b,两点等电势，当用光照射电阻,R,3,时，则,(,),第37页,第37页,A,R,3,电阻变小，,a,点电势高于,b,点电势,B,R,3,电阻变小，,a,点电势低于,b,点电势,C,R,3,电阻变大，,a,点电势高于,b,点电势,D,R,3,电阻变大，,a,点电势低于,b,点电势,解析：,R,3,是光敏电阻，当有光照射时电阻变小，,R,3,两端电压降减小，故,a,点电势将升高，因其它阻值不变，因此,a,点电势将高于,b,点电势,答案：,A,第38页,第38页,对热敏电阻特性理解,在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度改变可实现对电路相关物理量控制如图所表示电路，,R,1,为定值电阻，,R,2,为半导体热敏电阻,(,温度越高电阻越小,),，,C,为电容器当环境温度减少时,第39页,第39页,A,电容器,C,带电荷量增大,B,电压表读数增大,C,电容器,C,两板间电场强度减小,D,R,1,消耗功率增大,第40页,第40页,答案：,AB,第41页,第41页,【,题后总结,】,热敏电阻和金属热电阻区别及联系,(1),区别：,热敏电阻和金属热电阻导电性能与温度改变关系不相同，热敏电阻导电性能普通随温度升高而增强；金属热电阻导电性能随温度升高而减少,热敏电阻和金属热电阻优缺点：热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻化学稳定性较好；测量范围较大，但灵敏度较差,(2),联系：热敏电阻和金属热电阻都能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量,第42页,第42页,【,针对训练,】3.,如图所表示为某一热敏电阻,(,电阻值随温度改变而改变，且对温度很敏感,),I,U,关系曲线图,第43页,第43页,(1),为了通过测量得到如上图所表示,I,U,关系完整曲线，在下图所表示,a,和,b,两个电路中应选择是图,_,(2),在图,c,所表示电路中，电源电压恒为,9 V,，当给热敏电阻加热后，电流表读数将,_(,选填,“,增大,”,、,“,减小,”,或,“,不变,”,),第44页,第44页,解析：,由于图中要求测量多组数据，所测电压调整范围较大，且从零开始改变，因此应选取滑动变阻器分压式接法，故应选图,a,；热敏电阻温度升高时，其电阻值减小，故干路中电流增大,答案：,(1)a,(2),增大,第45页,第45页,如图所表示，有电流,I,流过长方体金属块，金属块宽度为,d,，高为,b,，有一磁感应强度为,B,匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内自由电子数为,n,，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？,霍尔元件工作原理,第46页,第46页,思绪点拨：,当电子在金属导体中定向移动时，受到洛伦兹力会使其在上表面汇集，下表面将有等量正电荷，在导体中形成电场，由于上表面带负电，则电势低，伴随正、负电荷不断地向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即,qE,q,v,B,时，电荷将不再偏移，上、下表面间形成稳定电压,第47页,第47页,第48页,第48页,第49页,第49页,第50页,第50页,第51页,第51页,答案：,(1),evB,(2),见解析,第52页,第52页,如图所表示为测定压力电容式传感器，将平行板电容器、灵敏电流表,(,零刻度在中间,),和电源串联成闭合回路，当压力,F,作用于可动膜片电极上时，膜片发生形变，引起电容改变，造成灵敏电流表指针偏转，在对膜片开始施加压力使膜片电极从图中虚线推到图中实线位置并保持固定过程中，灵敏电流表指针偏转情况为,(,电流从电流表正接线柱入时指针向右偏,),电容式传感器应用,第53页,第53页,A,向右偏到某一刻度后回到零刻度,B,向左偏到某一刻度后回到零刻度,C,向右偏到某一刻度后不动,D,向左偏到某一刻度后不动,第54页,第54页,答案：,A,第55页,第55页,【,题后总结,】,电容式传感器是应用了电容器电容跟板间距离、正对面积、电介质及引起它们改变原因,(,如力、位移、压强、声音等,),关系，将这些非电学量转化为电容器电容这个电学量,第56页,第56页,【,针对训练,】5.,如图所表示，是一个测定液面高度传感器，在导线芯外面涂上一层绝缘物质，放在导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器两极，把这两极接入外电路，当外电路中电流改变阐明电容值增大时，则导电液体深度,h,改变为,(,),第57页,第57页,A,h,增大,B,h,减小,C,h,不变,D,无法拟定,答案：,A,第58页,第58页,第59页,第59页,误区：不能正确结识生活中传感器,【,典型例题,】,在一些星级宾馆洗手间经常装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是由于,A,改变温度,B,改变湿度,C,改变磁场,D,改变电容,第60页,第60页,解析：,干手机是一个电容器，当手靠近时，手上有水，手就变成了导体，在电容器中放入导体，改变了电容器电容，电路中电容改变，干手机开始工作，故选,D.,答案：,D,第61页,第61页,【,误区警示,】,生活中，经常有一些传感器应用，处理这类问题应从实际入手，不能想当然本题易错选,B,，误认为手洗后很湿，拿到干手机旁，由于湿度改变，干手机开始工作,第62页,第62页,谢谢观看！,第63页,第63页,