高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册常见传感器的工作原理及应用背景图课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册常见传感器的工作原理及应用背景图课件ppt，共37页。PPT课件主要包含了典例分析，光敏电阻，传感器，光敏电阻的制作，硫化镉，光强电阻率小，光弱电阻率大，观察光敏电阻特性，实验结论，光敏电阻工作原理等内容，欢迎下载使用。
我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。
2.光敏电阻的特性与原理
【实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。
【实验步骤】（1)将光敏电阻、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于“×100”挡；（2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；（3)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。（4）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
【数据处理】根据记录数据分析光敏电阻的特性。
（1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小;
（2）光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
原因(工作原理)：硫化镉（CdS）是一种半导体材料，无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
材料：制作光敏电阻的材料一般为半导体。如：硫化镉。
光照增强 半导体材料中的载流子（自由电子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小
无物品、有光照、电阻小、电压低
有物品、挡光、电阻大、电压高
这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。
【例题1】如图所示，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
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，干路电流增大，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。
金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。
热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
1.金属热电阻和热敏电阻性
说明：与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
温度能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。
用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。
金属的电阻率随温度的升高而增大
有些半导体在温度上升时导电能力增强
用半导体材料制作热敏电阻
热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大，
温度升高，热敏电阻的阻值显著减小。
3.应用实例——低油位报警装置
当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。
给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。
当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮。
通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。
油位高→电阻大→灯不亮
【例题2】关于传感器，下列说法正确的是（　　）A.金属材料不可以制成传感器B.光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的C.传感器主要是通过感知电阻的变化来传递信号的D.以上说法都不正确
传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，故A错误；光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的，故B正确，D错误；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不一定是通过感知电阻的变化来传递信号的，故C错误。
拉力→L变长→S变小→电阻变大
压力→L变短→S变大→电阻变小
当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。
3.应用实例——电子秤
电子秤使用的测力装置：力传感器
在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。
应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
【例题3】(多选）关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是(　 　)A.应变片是由导体材料制成B.当应变片的上表面拉伸时，其电阻变大，反之变小C.传感器输出的是应变片上的电压D.外力越大，输出的电压差值也越大
应变片多用半导体材料制成，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小，B项正确；传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差且随外力增大，输出电压差值增大 ，原理如右图所示，D项正确。
如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
（1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等
（2）改变d：测量压力F
（3）改变ε：测量位移x
【例题4】(多选)传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（ ）A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压力F发生变化D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极，就成了一个霍尔元件。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差.当达到稳定状态时,洛仑兹力与电场力平衡.
★霍尔传感器应用实例:
①电动车加速器位置→磁场→电压→控制器控制车速
②霍尔无刷电动机(直流电源)位置→ → →
控制器控制 三个线圈 中的电流
如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
上表面聚集负电荷下表面聚集正电荷
1.光敏电阻（光传感器）
光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
2.热敏电阻和金属热电阻（ 温度传感器）
热敏电阻或金属热电阻：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
4.电容式传感器 （位移传感器）
3.电阻应变片（力传感器）
应变片发生形变时其电阻随之发生变化，把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
1、如图所示，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
热敏电阻R2的阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数变小,R2与灯并联部分电阻增大，电压增大，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强.
2、下列说法不正确的是（　　）A.电熨斗中的双金属片是温度传感器B.金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差C.霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器D.热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量
利用双金属片温度传感器，可以控制电熨斗的温度，故A与题意不符；金属热电阻由金属材料制成，其化学稳定性好，但灵敏度差，故B与题意不符；霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器，故C与题意不符；热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故D与题意相符。
3、目前，传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域，关于传感器的应用，下列说法中正确的是（　　）A.自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器B.走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器C.发光二极管是一种常用的光传感器，其作用是将光信号转换为电信号D.霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
自动洗衣机中压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器，故A正确；在天黑楼道里出现声音时，楼道里的灯才亮，说明它的控制电路中既有声音传感器，又有光传感器；但红外报警装置是应用了红外线传感器，故B错误。发光二极管不是光传感器，故C错误；霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故D错误。
4、(多选)电动自行车是一种使用广泛的交通工具,其速度控制是通过转动右把手实现的,这种转动把手称为“霍尔转把”,属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等,截面如图甲。永久磁铁的左、右两侧分别为N、S极,开启电源时,在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压,形成电流,如图乙。随着转把的转动,其内部的永久磁铁也跟着转动,霍尔器件能输出控制车速的霍尔电压,已知电压与车速的关系如图丙。下列关于“霍尔转把”的说法正确的是（ 　）
A.为提高控制的灵敏度,应使永久磁铁的上、下端分别为N、S极。B.按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套),车速将变快。C.图乙中从霍尔器件的前、后面输出控制车速的霍尔电压。D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调,将影响车速控制。