物理教科版 (2019)认识传感器备课ppt课件

这是一份物理教科版 (2019)认识传感器备课ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了传感器，电信号，光照强弱，电学量，化学反应，温度传感器，金属丝，膨胀系数，光传感器，力传感器等内容，欢迎下载使用。
1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。2.知道传感器的组成与应用模式。3.知道光敏电阻、热电阻、热敏电阻、电阻应变片的工作原理及应用(难点)。
如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁铁靠近干簧管时：(1)会发生什么现象，为什么？
答案　灯泡会亮，因为当条形磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通。
(2)干簧管的作用是什么？
答案　干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。
1.传感器：把被测的非电信息，按一定规律转换成与之对应的 的器件或装置。有时又被称为探测器或变换器。2.传感器的结构通常传感器由 元件和 元件组成，有时也将信号调节转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分，如图所示。
(1)敏感元件：常见的敏感元件包括力敏元件、光敏元件、热敏元件、磁敏元件、气敏元件等，它们能直接感受诸如压力、光照、温度、磁场、气体等非电信息，并将这些信息变换成易于测量的物理量。①弹性膜片：应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它的作用是将压力转变成膜片的 。
②光敏电阻：通常用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成，随着光照的 ，载流子增多，导电性 。因此，光敏电阻能够把_________这个光学量转换成电阻这个电学量。③干簧管：干簧管是一种能够感知 的敏感元件，由密封在玻璃管内的两个软磁体(通常是铁镍合金)簧片构成，两个簧片在磁场中被磁化为异名磁极而相互吸引，所以，串联在电路中的干簧管就成了一个由磁场控制的开关。
(2)转换元件：通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成 ，又称传感元件。(3)信号调节转换电路：由于转换元件输出的信号一般很弱，容易混有干扰信号，因此需要信号调节转换电路对其进行 、消除干扰，使转换元件输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电学量。
3.传感器的分类按感知外界信息及变换效应的不同，可分为以下三类。(1)物理传感器：利用了力、热、光、电磁和声等 效应。(2)化学传感器：利用了 的原理检测物质的种类和浓度。(3)生物传感器：是利用酶、抗体和激素等分子识别功能进行工作的传感器。
　关于传感器，下列说法正确的是A.所有传感器都是由半导体材料制成的B.金属材料也可以制成传感器C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D.水银温度计是一种传感器
传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。
　(多选)(2023·甘孜康定中学月考)教学楼过道灯是由声传感器和光传感器同时控制的，在夜晚天黑时，用力拍掌灯就亮了；而白天怎样用力拍掌，灯都不能亮。其原理图如图所示，下列关于声传感器和光传感器的说法正确的是A.白天有光照时，光传感器自动闭合B.夜晚无光照时，光传感器自动闭合C.有人走动或发出声音时，声传感器自动闭合D.无人走动或发出声音时，声传感器自动闭合
天亮时光控开关自动断开，天黑时自动闭合，有人走动或发出声音，声控开关闭合；两个开关同时闭合，灯就会自动亮，故B、C正确。
温度传感器：是一种将 变化转换成电学量变化的装置，使用的感温敏感元件主要有热敏电阻、热电阻、热双金属片和热电偶等。(1)热敏电阻温度传感器：热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化非常 。①如图(a)所示，这类热敏电阻的阻值随温度升高而 ，称为负温度系数热敏电阻，用NTC表示。②另一类热敏电阻的阻值随温度升高而 ，称为正温度系数热敏电阻，用PTC表示。
(2)热电阻温度传感器：用 制作的感温电阻称为热电阻，电阻R与温度t的关系如图(b)所示。(3)热双金属片温度传感器：将两种 相差较大的不同金属片焊接或轧制成一体后，当温度升高时，由于两边金属片膨胀程度不同，可用来控制电路的通断。许多冰箱压缩机就是用双金属热保护器进行保护的，如图(c)所示。
将多用电表的选择开关置于电阻挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？
答案　由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻RT，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。
　(多选)(2024·西宁市高二期末)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高，电阻越小)，C为电容器。当环境温度降低时A.电容器C的带电荷量增大B.理想电压表的示数增大C.电容器C两板间的电场强度减小D.R1消耗的功率增大
1.定义有些金属或半导体材料，在电路中受到 时，可以产生电流或电压(光照越强，电阻越小)，实现光信号向电信号的转化，用这种材料做敏感元件，便可制成光传感器。
2.应用实例如图为光电式转速表的原理图，光源1发出的光线经透镜2会聚成平行光束照射到被测旋转物3上，光线被事先粘贴在旋转物体上的反光纸4反射回来，经透镜5聚焦落在光敏二极管6上，它产生与转速对应的电脉冲信号，转速快慢不同，单位时间内接收的脉冲信号数量不同，经信号处理电路处理后，可由显示器10显示出每分钟或每秒钟转过的圈数。
(多选)某小区为积极响应市政府提出的“迎峰度冬”节约用电工作，拟将小区路灯电路进行改造，实现路灯亮度自控。如图所示为其内部电路简化原理图，电源电动势为E，内阻为r，RL为光敏电阻(光照强度增加时，其电阻阻值减小)。现减小光照强度，下列判断正确的是A.电源的效率变大B.A灯和B灯都变亮C.R0两端电压变大D.电源内部发热功率不变
1.定义：是一种把 转换为电学量的装置。2.应用实例：常用的力传感器是由铝合金梁和应变片组成的应变式力传感器，其工作原理如图所示，在梁的自由端施加向下的压力时，梁发生弯曲，上表面拉伸，上应变片的电阻 ；下表面压缩，下应变片的电阻 。使应变片中通过恒定的电流，这时上、下应变片的电压产生差值，压力越 ，电压差值越大；如果力的方向向上，则上、下应变片的电阻变化正好相反，电压差值为负。
　压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是A.0到t1时间内，升降机一定静止B.t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动C.t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化D.t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动
从0~t1时间内，电流不变，根据闭合电路的欧姆定律可知电路中的总阻值不变，升降机可能静止也可能匀速运动，故A错误；t1~t2时间内，电流增大，则电阻减小，因为压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以压力增大，由牛顿第三定律得物块受到的支持力逐渐增大，根据牛顿第二定律有FN-mg=ma，合力向上，加速度向上且逐渐增大，故B错误，C正确；
t2~t3时间内电流不变，电阻不变，压力不变，电流大于静止时的电流，压力大于静止时的压力，物块受重力和支持力，根据牛顿第二定律有FN'-mg=ma'，合力向上，加速度向上且大小不变，所以t2~t3时间内升降机匀加速上升或匀减速下降，故D错误。
电容式传感器：电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距d以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，那么这种电容器就被称为电容式传感器。
如图是电容式话筒的原理图，话筒的振动膜片上涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片，他们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作，试分析它的工作原理。
答案　电容式话筒利用振动膜片接收空气振动信号，振动膜片与固定电极之间形成一个电容，两者之间的距离变化会导致其电容的变化。在电容器两端施加恒定的电压，通过电容器的电流就会变化。将这个电流信号进行转换，即可输出音频信号。
　传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、角度等)转换成电学物理量(如电压、电流、电荷量等)的一种元件。如图中的甲、乙、丙、丁是四种常见的电容式传感器，下列说法正确的是  A.图甲中两极间的电荷量不变，若电压减小，可判断出h变小B.图乙中两极间的电荷量不变，若电压增大，可判断出θ变小C.图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，则x变小D.图丁中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的正极，则F变大
题图丙中两极间的电压不变，若有电流流向传感器的负极，说明电容器在放电，电荷量减小，电容减小，电介质向外移动，则x变大，C错误；题图丁中两极间的电压不变，若电流流向传感器的正极，说明电容器在充电，电荷量增加，电容增大，两电极间距离减小，则F变大，D正确。
考点一　传感器及其工作原理1.下列关于传感器的说法，正确的是A.所有传感器都是由金属材料制成的B.传感器不是电视遥控接收器的主要元件C.话筒中的传感器将电信号转换为声信号D.传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断
传感器材料有半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误；电视遥控接收器的主要元件是红外线传感器，B错误；话筒中的传感器是声传感器，它将声信号转换为电信号，C错误；传感器能将非电学量按一定规律转换为电学量或者电路的通断，D正确。
2.(2023·绵阳市三台中学高二期中)某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们是A.热敏电阻和光敏电阻B.金属热电阻和光敏电阻C.热敏电阻和干簧管D.光敏电阻和动圈式话筒
天黑时，出现声音它就开启；而白天，即使有声音它也没有反应，故电路中有光传感器，即使天黑，没声音灯也不亮，故用到了声音传感器。即控制电路中接入了光传感器、声音传感器，它们是光敏电阻和动圈式话筒。故选D。
考点二　常见传感器及其应用3.位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑片P移动，通过电压表显示的数据来反映物体M位移的大小x。假设电压表是理想电表，物体M不动时，滑片P位于滑动变阻器正中间位置，则下列说法正确的是A.物体M运动时，电源内的电流会发生变化B.物体M运动时，电压表的示数会发生变化C.物体M不动时，电路中没有电流D.物体M不动时，电压表没有示数
电压表为理想电表，则电压表不分流，故滑片P移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，且电路中始终有电流，故A、C错误；电压表测的是滑片P左侧电阻分得的电压，故示数随物体M的运动亦即滑片P的移动而变化，物体M不动时，电压表仍有读数，故B正确，D错误。
4.对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为—惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不发生变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为A.铜B.合金C.半导体D.绝缘体
由题意可知，该电阻为热敏电阻，热敏电阻由半导体材料制成，故C正确，A、B、D错误。
5.(2023·东营市第一中学模拟)如图甲所示，条形码扫描笔的原理是扫描笔头在条形码上匀速移动时，遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗；遇到白色间隔，光线被反射到光敏三极管，三极管呈低阻抗。光敏三极管将条形码变成一个个电脉冲信号，信号经信号处理系统处理，即完成对条形码信息的识别，等效电路图如图乙所示，其中R为光敏三极管的等效电阻，R0为定值电阻，下列判断正确的是
A.当扫描笔头在黑色线条上移动时，信号处理系统获得高电压B.当扫描笔头在白色间隔上移动时，信号处理系统获得高电压C.扫描速度对信号处理系统接收到的电压信号无影响D.扫描笔头外壳出现破损时仍然能正常工作
信号处理系统获得的电压是R0两端的电压，当扫描笔头在黑色线条上移动时，R相当于大电阻，根据闭合电路欧姆定律，回路电流很小，R0两端的电压很低，信号处理系统获得低电压；当扫描笔头在白色间隔上移动时，R相当于小电阻，回路电流较大，R0两端的电压较高，信号处理系统获得高电压，A错误，B正确；
如果扫描速度发生变化，在信号处理系统中高、低电压的时间间隔就会发生变化，从而无法正确判断黑、白条纹宽度，可能出现错误识别信息，C错误；扫描笔头外壳出现破损时，外面的光就会进入光敏三级管，从而出现错误信息，导致不能正常工作，D错误。
6.(多选)如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻(光照强度增大时电阻减小)，电压表内阻不计，当入射光强度增大时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
当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大，电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正确，D项错误；因路端电压减小，且R1两端电压增大，故R2两端电压必减小，则R2中电流减小，B项正确；因干路电流增大，且R2中电流减小，知流过小灯泡的电流必增大，故小灯泡的功率增大，C项正确。
7.(多选)(2023·宜宾市叙州区一中学校月考)如图甲所示，某跳床俱乐部通过压力传感器获取运动员的运动数据，其工作电路如图乙所示。图乙中电源电动势恒定，内阻可忽略不计，R1为定值电阻，R为压力传感器，其阻值随压力的增大而减小，电压表和电流表均为理想电表。从运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中，下列说法正确的是A.电流表的示数先增大后减小B.电压表的示数先增大后减小C.电压表与电流表示数的比值先增大后减小D.电路消耗的总功率先增大后减小
从运动员接触蹦床、挤压蹦床到离开蹦床的过程中，压力传感器受到的压力先增大后减小，压力传感器的阻值先减小后增大，根据闭合电路欧姆定律可知，电路电流先增大后减小，即电流表的示数先增大后减小；定值电阻R1两端电压先增大后减小，则电压表的示数先减小后增大，故A正确，B错误；
8.(2023·杭州市高二期中)如图所示为某汽车的加速度传感器的俯视图。金属块左、右侧分别连接电介质、轻质弹簧，弹簧与电容器固定在外框上，金属块可带动电介质相对于外框左右移动(不能上下移动)，电容器与电源连接，并串联计算机的信号采集器。关于该传感器的说法正确的是
A.汽车保持静止时，电容器不带电B.汽车静止时与匀速直线运动时，电容器的电容相同C.汽车由静止突然向右加速，电路中有逆时针方向的电流D.汽车向右做匀加速运动过程中，电路中始终有顺时针方向的电流
9.(多选)如图甲所示，“火灾警报系统”电路中，理想变压器原、副线圈匝数之比为10∶1，原线圈接入图乙所示的电压，电压表和电流表均为理想电表，R0为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，R1为滑动变阻器，当通过报警器的电流超过某值时，报警器将报警，下列说法正确的是A.电压表V的示数为10 VB.R0处出现火情时，电流表A的示数减小C.R0处出现火情时，变压器的输入功率增大D.要使报警器报警的临界温度升高，可将R1的滑片P适当向下移动
将R1的滑片P向上移动，副线圈电路的总电阻变小，总电流增大，R0两端的电压变大，报警器的分压变小，电流也减小，能使报警器报警的临界温度升高，选项D错误。
10.(2024·昆明市高二期末)有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图所示。它主要由三部分构成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化的电阻)、显示体重的仪表　 (其实质是电流表)。其中AO∶BO=5∶1。已知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如表所示： 踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两端电压恒为4.68 V，则：
(1)利用表中数据归纳出电阻R随压力F变化的函数关系式；
答案　R=300-0.6F(Ω)　
由表中数据可归纳得出：R=300-0.6F(Ω)。
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g=10 N/kg)
11.(2023·连云港市高二期中)现代生物医学研究使用的细菌培养箱内的温度需要精确测控，测控的方法之一是用热敏电阻来探测温度。如图甲所示的电路，将热敏电阻R0置于细菌培养箱内(如图中虚线)，其余都置于箱外。这样可以通过理想电流表、电压表的示数来表示箱内温度。已知随着箱内温度的改变，电压表和电流表示数如图乙，电源的电动势恒定、内阻忽略不计。热敏电阻随温度的变化图像如图丙所示，求：
根据题意，由题图乙可知，当I=0时U=16 V则电源的电动势为E=16 V当I=20 mA=0.02 A时，电阻R0两端的电压为U=4 V由闭合电路欧姆定律有U=E-IR解得R=600 Ω
(2)当培养箱内的温度为40 ℃时，电流表的示数；
(3)已知电流表的量程是0~20 mA，电压表的量程是0~16 V，则此电路能够测量的最高温度约是多少？此时热敏电阻R0消耗的电功率是多大？
答案　70 ℃　0.08 W
根据题意，由题图丙可知，温度越高，R0阻值越小，则温度最高时，电路中电流最大，即电流表满偏，则有E=Ig(R0+R)解得，此时R0的阻值为R0=200 Ω由题图丙可知，此时温度为70 ℃，热敏电阻R0两端的电压为U1=IgR0=4 V则消耗的电功率为P=IgU1=0.08 W。
12.一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图如图所示，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在小车上，C为小车的车轮。D为与C同轴相连的齿轮，车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间的脉冲数为n，累积脉冲数为N。试回答下列问题：(1)要测出小车的速度和行程，还必须测量的物理数据有哪些？
答案　车轮半径R和齿轮齿数P　
小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积，行程等于车轮的周长与累积时间内车轮转动圈数的乘积，所以还要测量车轮的半径R和齿轮的齿数P。
(2)推导小车速度v的表达式［用题中及(1)问中的物理数据表示］；