【課件】常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用 2023-2024學(xué)年高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊(cè)

第2節(jié)

常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用第五章傳感器我們知道，傳感器可以把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量輸出。那么，常見(jiàn)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？非電學(xué)電學(xué)量？1.認(rèn)識(shí)傳感器就是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的裝置，其主要元件是敏感元件。2.了解光敏電阻、金屬熱電阻、熱敏電阻和電阻應(yīng)變片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作傳感器的敏感元件。3.利用電容器的結(jié)構(gòu)改變影響電容的性質(zhì)，設(shè)計(jì)電容式位移傳感器。知識(shí)點(diǎn)一：光敏電阻1.光敏電阻（1）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。硫化鎘光敏電阻（2）硫化鎘表面受到的光照強(qiáng)度不同時(shí)，兩個(gè)電極間的電阻也不一樣，光敏電阻是光電傳感器中常見(jiàn)的光敏元件。（3）光敏電阻特性光敏電阻對(duì)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(huì)隨著光照強(qiáng)度的增大而電阻值減小。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究光敏電阻特性。（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(kāi)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.實(shí)驗(yàn)：觀察光敏電阻特性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(cè)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(cè)出此時(shí)光敏電阻的阻值，把數(shù)據(jù)記錄到表格中。實(shí)驗(yàn)器材模擬光照條件光敏電阻阻值無(wú)自然光遮光盒幾乎無(wú)光手電筒較強(qiáng)光約350歐約25000歐約100歐（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論①光敏電阻在被光照射時(shí)電阻發(fā)生變化，一般會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增大而電阻值減小。原因是：硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無(wú)光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能差；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。②光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。3.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(hào)的儀器，B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。ABAB（2）光電計(jì)數(shù)的原理當(dāng)傳送帶上沒(méi)有物品擋住由A射向B的光信號(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值較小，供給信號(hào)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(hào)時(shí)，光敏電阻的阻值變大，供給信號(hào)處理系統(tǒng)的電壓變高。這種高低交替變化的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，就會(huì)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。1.如圖所示，額溫槍因其具有快速、無(wú)接觸測(cè)溫的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各類(lèi)新型冠狀病毒防控場(chǎng)所．額溫槍核心部件的傳感器是（）A．位移傳感器 B．聲音傳感器C．力傳感器 D．紅外溫度傳感器D練一練知識(shí)點(diǎn)二：金屬熱電阻和熱敏電阻1.金屬熱電阻金屬熱電阻:金屬的電阻率隨溫度升高而增大，利用這一特性，金屬絲也可以制作成溫度傳感器，稱為熱電阻。1RTO金屬熱電阻隨溫度的變化關(guān)系2.熱敏電阻:用半導(dǎo)體材料制成。有些半導(dǎo)體在溫度上升時(shí)導(dǎo)電能力增強(qiáng)，因此可以用半導(dǎo)體材料制作熱敏電阻。2RTO熱敏電阻隨溫度的變化關(guān)系有一種熱敏電阻是用氧化錳等金屬氧化物燒結(jié)而成的，它的電阻隨溫度的變化非常明顯。分類(lèi)熱敏電阻金屬熱電阻制作材料導(dǎo)電原理優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)作用3.熱敏電阻和金屬熱電阻的區(qū)別半導(dǎo)體金屬自由電子和空穴等載流子自由電子的定向移動(dòng)靈敏度較好化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍大，但靈敏度較差負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，電阻率隨溫度的升高而減小電阻率隨溫度的升高而增大將溫度這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量4.實(shí)驗(yàn)：觀察熱敏電阻特性（1）實(shí)驗(yàn)器材半導(dǎo)體熱敏電阻、電流表、熱水、導(dǎo)線、電建、電源、燒杯。（2）實(shí)驗(yàn)步驟①把電流表、開(kāi)關(guān)、電源、熱敏電阻串聯(lián)在電路中，閉合開(kāi)關(guān)，觀察電流表的示數(shù)。②向燒杯中注入熱水，使熱敏電阻浸沒(méi)在熱水中，閉合開(kāi)關(guān)，觀察電流表的示數(shù)。（3）現(xiàn)象把熱敏電阻串聯(lián)到電路中，閉合開(kāi)關(guān)，電路中有電流通過(guò)，使熱敏電阻浸沒(méi)在熱水中，電流表的示數(shù)增大。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大。5.熱敏電阻的應(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(duì)應(yīng)關(guān)系，可用來(lái)測(cè)量溫度。（2）低油位報(bào)警裝置若給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會(huì)發(fā)熱。如圖甲所示，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(huì)被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮。甲如圖乙所示，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。通過(guò)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。乙1.下列關(guān)于傳感器的說(shuō)法正確的是（）A．干簧管相當(dāng)于一個(gè)對(duì)干濕度敏感的彈簧管B．熱敏電阻和金屬熱電阻都是用半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)溫度升高時(shí)形成更多的空穴，導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng)C．電熨斗裝有雙金屬片溫度傳感器，可以使其上下層溫度不同從而自動(dòng)控制電路D．煙霧散射式火災(zāi)報(bào)警器有可能在有大量煙民同時(shí)吸煙的場(chǎng)所出現(xiàn)誤報(bào)警D練一練知識(shí)點(diǎn)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。電阻應(yīng)變片2.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)（1）根據(jù)電阻的定義式：拉力→L變長(zhǎng)→S變小→電阻變大；壓力→L變短→S變大→電阻變?。?）電阻應(yīng)變效應(yīng)①金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變（伸長(zhǎng)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)。金屬電阻應(yīng)變片就是利用這一原理制成的。②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)。③電阻應(yīng)變片的功能：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.力傳感器的應(yīng)用及工作原理（1）我們經(jīng)常見(jiàn)到的電子秤，它所使用的測(cè)力器件是力傳感器。（2）常用的一種力傳感器是由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成的，其結(jié)構(gòu)如圖所示，稱為應(yīng)變式力傳感器。應(yīng)變式力傳感器（3）力傳感器的工作原理應(yīng)變片應(yīng)變片金屬梁應(yīng)變片測(cè)力原理F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?cè)酱螅瑧?yīng)變片的電阻變化就越大。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。（4）力傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器也用來(lái)測(cè)量其他各種力，如汽車(chē)和卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引力等。力傳感器汽車(chē)稱重的地磅應(yīng)變片是把形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。4.電容式傳感器原理：電容器的電容C決定于極板的正對(duì)面積S、極板間的距離d以及極板間的電介質(zhì)這三個(gè)因素。如果某個(gè)物理量的變化能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過(guò)測(cè)定電容器的電容就可以確定這個(gè)物理量的變化，由此可以制成電容式傳感器。思考討論：如圖所示，當(dāng)被測(cè)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(cè)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(cè)電容的變化？被測(cè)物體電介質(zhì)板電容器極板

電容式位移傳感器

拓展學(xué)習(xí)霍爾元件霍爾元件的應(yīng)用及原理1—測(cè)量磁場(chǎng)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（右圖下）。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(chǎng)，則在M、N間可出現(xiàn)霍爾電壓UH。通過(guò)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(cè)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?；魻栃?yīng)霍爾原件的工作原理霍爾元件的應(yīng)用及原理2—測(cè)量微小位移在兩塊磁感應(yīng)強(qiáng)度相同、同極相對(duì)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(cè)量。利用霍爾元件測(cè)量微小位移1.目前，傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域，關(guān)于傳感器的應(yīng)用，下列說(shuō)法中正確的是（）A．自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感器、數(shù)字體重計(jì)所用的測(cè)力裝置都應(yīng)用了力傳感器B．走廊照明燈的聲控開(kāi)關(guān)、紅外報(bào)警裝置都是應(yīng)用了聲傳感器C．發(fā)光二極管是一種常用的光傳感器，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)D．霍爾元件能把磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個(gè)電學(xué)量練一練A常見(jiàn)傳感器的工作原理及應(yīng)用