【创新设计】2013-2014学年高中物理鲁科版选修3-2第5章5-揭开传感器的“面纱”.ppt

第1节　揭开传感器的“面纱”第2节　常见传感器的工作原理,1．知道什么是传感器，了解传感器的分类，理解其工作原理．2．知道温度传感器的原理，了解温度传感器在生活中的应用．3．知道光传感器的原理，了解光电传感器在生活中的应用．,电信号,物理传感器,化学传感器,生物传感器,敏感元件,转换元件,转换电路,敏感元件,电信号,电阻大小,减小,三、探究温度传感器的原理,电学量,热敏电阻,热电偶,增加,负温度系数,一、对传感器的正确理解1．传感器的原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的大多是电学量，如电压、电流、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，一般要经过放大等处理后，再通过控制系统产生各种控制动作．2．传感器的分类常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的．根据测量的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类．,物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质(如电阻、电压、电容、磁场等)发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等．化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的．生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等．,二、光敏电阻的基本特性1．半导体的导电原理如图5－1、2－2是硅原子排列示意图，每个原子的最外层有4个电子．由于热运动或其他原因，其中极少数电子可能获得较大的能量，挣脱原子的束缚而成为自由电子．这样，在原来的地方就留下一个空位，称为“空穴”．空穴相当于一个正电荷．当这个空穴由附近原子中的电子来填补时，就出现了一个新的空穴，这种变化相当于空穴在移动．,如果有了外电场，自由电子和空穴会向相反的方向做定向移动，于是在半导体中形成了电流．自由电子和空穴都叫做载流子．当半导体材料受到光照或者温度升高时，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，半导体中会有更多的载流子，于是导电性能明显地增强．2．光敏电阻的特性(1)阻值特点：阻值随光照强度的增大而减小．(2)导电机理：光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照而温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，导电性能变好，电阻变小．(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．,三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻(1)特点：热敏电阻的阻值大小与温度的高低有关．温度变化，阻值有明显变化．(2)作用：热敏电阻可以将温度的高低这个热学量转化为电阻这个电学量．(3)分类：热敏电阻一般用人工合成的新型陶瓷材料制成．半导体材料的导电性能对温度的变化很敏感，热敏电阻所用材料根据其温度特性可分为三类：正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻．正温度系数的热敏材料(PTC)，它的电阻随温度上升而增加．,负温度系数的热敏材料(NTC)，它的电阻随温度的上升而下降．临界温度系数的热敏材料(CTC)，它的电阻在很小的温度范围(临界)内急剧下降．(4)热敏电阻的用途热敏电阻器的用途十分广泛，主要应用于：①利用电阻—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；②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护的作用；③利用不同媒质热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等；④利用热惯性作为时间延迟器．,2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以做成传感器，称为热电阻．金属电阻随温度的升高而增加．金属热电阻也是将温度的高低这个热学量转换为电阻这个电学量．,【典例1】 如图5－1、2－3所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时(　　)．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大思路点拨　当照射光强度增大时，光敏电阻阻值发生变化，然后根据直流电路的动态分析方法进行判断．,解析　光的强度是被测量，光敏电阻R3为光敏感元件，同时也是转换器件．当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，R1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A项正确，D项错误．由路端电压减小，而R1两端电压增大，可知R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大，C项正确．答案　ABC借题发挥　在光照时，光敏电阻阻值发生变化，阻值随光强的增加而减小，在电路中，电流和电压也会发生相应的变化，这样就把光学量转变成了电学量．,【变式1】 如图5－1、2－4所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔分别与光敏电阻Rt的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的中央．若用不透光的黑纸将Rt包裹起来，表针将向________(选填“左”或“右”)转动；若用手电筒光照射Rt，表针将向________(选填“左”或“右”)转动．,解析　光敏电阻受光照越强，电阻越小，所以将Rt用不透光的黑纸包起来，电阻增大，指针左偏；若用手电筒光照射Rt，电阻减小，指针右偏．答案　左　右,【典例2】 如图5－1、2－5所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是(　　)．A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高思路点拨　(1)热敏电阻和金属热电阻的阻值随温度的变化方向是相反的．(2)热敏电阻随温度变化明显．,解析　热敏电阻由半导体材料制成，电阻随温度升高而减小，且灵敏度高，金属热电阻随温度升高电阻增大，灵敏度不高，但测温范围大，化学性质稳定，故B、D正确．答案　BD借题发挥　牢记热敏电阻特性是解决此题的关键．热敏电阻的阻值随温度的升高不一定减小，正温度系数的热敏电阻(PTC)其阻值随温度的升高而增大．,【变式2】 如图5－1、2－6所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化是________，发生这一现象的主要原因是(　　)．,A．小灯泡的电阻发生了变化B．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C．电阻丝的电阻率随温度发生了变化D．电源的电压随温度发生了变化解析　电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据P＝I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗．答案　变暗　C,解析　光电计数器工作原理：当有物体挡住射到光敏电阻R1的光照时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压降低，信号处理系统得到低电压，计数器每由高电压转到低电压，就计一个数，从而达到自动计数的目的．答案　AC,2．把蜂鸣器、光敏电阻、干簧管继电器开关、电源按如图5－1、2－8甲所示电路连接，制成光电报警装置．当报警器有光照射时，蜂鸣器发声，当没有光照或者光照很弱时，蜂鸣器不发声．①光敏电阻：光敏电阻受光照后，阻值会变小．②干簧管继电器开关：由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，如图5－1、2－8乙所示，当线圈中有一定的电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态．当线圈中没有电流或者电流很微弱时，磁场消失，簧片在弹力的作用下回复到分离状态．试说明光电报警器的工作原理．,答案　当报警器有光照射时，光敏电阻阻值减小，电路中电流增大，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片由原来的分离状态变成闭合状态，蜂鸣器电路接通，蜂鸣器发声．反之，当没有光照射或光照很微弱时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小，干簧管内的两个铁质簧片处于分离状态，连接蜂鸣器的电路断开，蜂鸣器不发声．,热敏电阻和金属热电阻3.如图5－1、2－9所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(　　)．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．小灯泡的亮度变弱解析　R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小，R1两端电压减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，故C正确，其余各项均错．答案　C,4.如图5－1、2－10所示是观察电阻值随温度变化情况的示意图．现在把杯中的水由冷水变为热水，关于欧姆表的读数变化情况正确的是(　　)．A．如果R为金属热电阻，读数变大，且变化非常明显B．如果R为金属热电阻，读数变小，且变化不明显C．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化非常明显D．如果R为热敏电阻(用半导体材料制作)，读数变化不明显,解析　若为金属热电阻、温度升高后，电阻变大，读数变化不明显，A、B错误．若为热敏电阻，读数将明显变化，C对，D错．答案　C,单击此处进入 活页规范训练,。