人教版 (2019)选择性必修 第二册认识传感器教学课件ppt

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册认识传感器教学课件ppt，共62页。PPT课件主要包含了神奇的传感器，传感器的种类，光线传感器，距离近程传感器，新课导入，油位低→电阻小→灯亮，磁传感器霍尔元件，CONTENTS，习题中的传感器等内容，欢迎下载使用。
小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关。如果把磁体 B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭。盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？
人的感觉器官和传感器的类比
传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适。生活中，你还发现哪些地方使用了传感器？ 请你根据需要大胆地设想：在家里、学校和生活的社区，什么地方应该安装传感器？这些传感器要起什么作用？
力传感器、磁传感器、声传感器等
离子传感器、气体传感器等
：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等
一部智能手机上安装的传感器：
原理：把声音信号转变为电信号。
原理：利用光敏三极管，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。
用途：通常用于调节屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，并且不刺眼。也可拍照时自动白平衡。
用途：手机横竖屏智能切换、拍照照片朝向、重力感应类游戏（如滚钢珠、赛车游戏等，可以不通过按键，将手机平放、左右摇摆就可以代替模拟机的左右移动，游戏APP可以追踪重力加速度的读数来推断复杂的用户手势和动作）。
原理：与重力传感器原理相同，也是压电效应。加速度造成的晶体变形，由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化为电压输出。通过三个维度来确定加速度方向，功率小但精度低。
原理：目前其中的一种是电容指纹传感器，其原理是手指构成电容器的一极，另一极是硅晶片阵列，通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，从而描绘出指纹图像。
这些传感器是如何协调完成复杂的指令的？
话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。图乙是电容式话筒的组成结构示意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个全属片（固定电极），它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。你能根据它的工作过程说说各组成元件的作用吗?
5.2 常见传感器的工作原理及应用
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。
（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。
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
作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
规 律： 电阻随温度的升高而增大。
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；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做 电阻温度计。
将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然后仿照图所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻的变化情况。
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。
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
我们知道，电阻与导体的材料、长度和横截面积有关。当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力时，长度变短、横截面积变大，导致电阻变小。
我们怎么根据这个原理制造传感器？
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。
电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
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。
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
在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下，会发生什么现象？
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
霍尔元件除了可以检测磁场及其变化，还可以在各种与磁场有关的场合中使用。右图图就是利用霍尔元件进行微小位移的测量。在两块磁感应强度相同、同极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度 B 为0，霍尔电压 UH 为0，可将该点作为位移的零点。当霍尔元件沿着 ±z 方向移动时，则有霍尔电压输出，且电压大小与位移大小成正比，从而能够实现微小位移的测量。
习题中的传感器 电感式传感器
下图是两种电感式微小位移传感器的原理图。图甲中，1是待测的物体，2是可以平移的软铁芯，3是固定的软铁芯，2、3之间的空气间隙随着物体的位移改变，铁芯3上绕有线圈4. 乙图中，3是空心线圈，1是待测的物体，软铁芯2插在线圈3中并且可以随着物体1在线圈中平移。电感式传感器可以将物体位移这个运动学量转化为电感这个电学量。
电饭锅中应用了温度传感器，它的主要元件是感温铁氧体，其特点是：常温下感温铁氧体具有铁磁性，能够被磁体吸引，但是温度上升到约103℃时，就失去了铁磁性，不能被磁体吸引了。这个温度在物理学中称为该材料的“居里点”。电饭锅的结构如图所示，请结合温度传感器的特点回答以下问题：（1）开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手松开后这个按钮是否会恢复到图示状态？为什么？（2）煮饭时水沸腾后锅内还有一定水分时，为什么锅的温度会保持100℃而不会持续升高？（3）饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？（4）如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电？
习题中的传感器 温度传感器
某同学设计了一个加速度计，如图所示。较重的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着；R为滑动变阻器，4是滑动片，它与电阻器任一端之间的电阻值都与它到这端的距离成正比。这个装置就是一个加速度传感器。两个电池E的电压相同。按图连接电路后，电压表指针的零点位于表盘中央，当P端的电势高于Q端时，指针向零点右侧偏转。将框架固定在运动的物体上，当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向哪个方向偏转？简述你分析的过程。
习题中的传感器 加速度传感器
解：当滑片P在滑动变阻器中央时，P、Q两点电势相等，电压表指针指中央零点，电压表示数决定于中点到滑片位置的电阻两端的电压，当物体具有图示方向的加速度a时，根据牛顿第二定律可知，滑块将向左移，带动变阻器的滑片4移向中点左方，电阻中点到滑片位置的电流方向向左，故P点电势低于电阻中点处电势，即P点电势低于Q点，则指针应向零点左侧偏转。
双金属温度传感器是将两种具有不同热膨胀系数的金属贴合在一起制成的。当它温度升高时，两种金属伸长不一样而发生弯曲变形，使触点接通或断开。日光灯启动器里就有一个双金属温度传感器（如图）。取一个报废的日光灯启动器，去掉外壳，在充有氖气的玻璃泡内，有一个U形的双金属片，其旁边有一根直立的金属丝，两者构成一对触点。常温下两触点是分离的，温度升高时，双金属片因形变而与金属丝接触。敲碎氖泡的玻璃，调节两触点之间的距离，使温度升高到60℃时两触点恰好接通。请你利用这个双金属温度传感器，设计一个电热水器自动加热的控制方案。当水温低于60℃时自动通电加热，高于60℃时自动断电。
习题中的传感器 双金属温度传感器
解析：A为调节后的U形的双金属片，一端固定在金属杆上，另一端固定与金属丝b构成一对触点。将它密封在玻璃罩B内，成为温度传感器，浸入电热水器C的水中。J为电磁继电器的线圈，a为该继电器的常闭触点，R为大功率电热元件。闭合开关S，若水的温度低于60℃，双金属片A与触点b分离，继电器触点a闭合，电热元件通电发热。当水温升高到60℃时双金属片A因温度升高而与触点b接触，则触点a断开，加热电路断开，就停止对水的加热了。水温下降到60℃以下时，A与b又断开，触点a闭合，加热电路闭合再度给水加热。
工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在里面，造成工伤事故，工厂中大都是利用光电控制设备来避免事故发生的。如图所示为光控继电器的示意图，它由电源、光电二极管（当有光照射时，二极管导通，没有光照时，二极管截止）、放大器、电磁继电器等几部分组成。这样，当工人不慎将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，光控继电器衔铁立即带动开关，使机床停止工作，避免事故发生。请简述光控继电器的原理。
当光照射光电二极管时，二极管导通，电路中通电流，经放大器放大后把M磁化，将衔铁吸住，使开关闭合，使机床工作；当将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，二极管截止，电路断开，没有电流，此时M失去磁性，对衔铁没有吸引力，衔铁在弹簧弹力的作用下离开M，开关断开，机床停止工作。
有一种路灯自动控制装置，用光敏电阻作为传感器，自动控制路灯的接通与断开。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如白天） 时电阻几乎为0；照射光较弱（如黑天）时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭， 黑夜打开。电磁开关的内部结构如图5-1所示。 1、2两接线柱连接励磁线圈，3、4两接线柱相当于路灯的开关，分别与弹簧片和触点连接。 当励磁线圈中电流大于某个值时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；当励磁线圈中电流小于某个值时，3、4接通。 现有以下器材：励磁线圈电源E1、路灯电源E2、路灯灯泡、励磁线圈限流保护电阻R0、 光敏电阻R1、电磁开关、导线开关等。 利用以上器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图。画电路图时，光敏电阻 符号是 ，电磁开关符号是 ，其他器材使用规范的电路符号。
电路如图5-4所示，将光敏电阻R、保护电阻R2、电磁开关1、 2与电源E1串联，起控制作用。将灯泡L、电磁开关3、4与电源E2串联。白天光照强时，光敏电阻阻值几乎为0，所以电磁铁线圈中的电流较大，磁场较强，因而吸引铁片，电磁开关3、4间断开，灯泡不发光。黑夜光照弱，光敏电阻的阻值很大，电磁铁线圈中电流几乎为0，磁场极弱，因此铁片弹开，电磁开关3、4间接通，灯泡发光。
图为电熨斗构造的示意图，其中温度敏感元件是双金属片，在温度升高时上层金属的膨胀大于下层金属，可造成双金属片的形 变。观察电熨斗的构造，并回答下列问题：
思考与讨论：①常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？
答：常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时， 由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．
思考与讨论：②熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？
答：熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性铜片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的．
为了节能和环保，一些公共场所用光敏电阻制作光控开关来控制照明系统。光敏电阻的阻值随着光的强弱而变化。物理学中用照度描述的强弱，光越强照度越大，照度的单位为lx。某光敏电阻RG在不同照度下的阻值如下表：
1）根据表中数据，请在图5-3甲所示的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。
由图像可知光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小。
（2）如图5-3乙所示，当1、2两端电压上升至2 V时，控制开关自动启动照明系统。请利用下列器材设计一个简单电路，给1、2两端提供电压，要求当照度降低至1.0 lx时启动照明系统。在虚线框内完成电路原理图（不考虑控制开关对所设计电路的影响）。提供的器材如下：光敏电阻RG（阻值见上表）； 直流电源E（电动势3 V，内阻不计）； 定值电阻：R1＝10 kΩ，R2＝20 kΩ，R3＝ 40 kΩ（限选其中之一并在图中标出）； 开关S及导线若干。
(2)当照度降低到1.0 lx时启动照明系统，此时光敏电阻的阻值为20 kΩ,两端电压为2 v,电源电动势为3 V，所以应加上一个分压电阻。分压电阻的电压为1 V,故分压电阻的阻值为10 kΩ，选用R1。电路如图5-6所示。
工作原理:报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.平时,光电三极管收不到LED发出的光,呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．
例如，用于测量转速的光电式转速传感器。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成(图5-7)。开孔圆盘的输人轴与被测轴相连接，光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上，圆盘转动时，光敏元件将转速转换为电信号输出。
某同学在研究性学习活动中自制电子秤，原理示意图如图5-5所示。用理想电压表的示数指示物体的质量，托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计，滑动变阻器R的滑动端与弹簧上端连接。当托盘中没有放物体时，滑片恰好指在变阻器的最上端， 此时电压表示数为0。设变阻器总电阻为R，总长度为l，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻阻值为R0，弹簧劲度系数为k，不计一切摩擦和其他阻力。试推导出电压表示数U与所称物体质量m的关系式。
【答案】当托盘中没有物体时，滑片恰好指在变阻器的最上端，电压表示数为0。设当在盘中放置质量为m的物体时，平衡后指针下降x，则有mg =kx。由闭合电路欧姆定律有I=由电阻定律有Rx= R。再由U=IRx，可得U= .
如图5-6所示，一定厚度和宽度的导体板放在匀强磁场中，当导体板通过一定电流，且电流与磁场方向垂直时，在导体板的上侧面 A和下侧面A′之间会产生一定的电势差UH，这种现象称为霍尔效应。（1）若图中的电流I是电子的定向运动产生的，则导体板上、下两个侧面中，哪个电势高？（2）设该导体板单位体积中自由电子的个数为n，导体板的宽度为d，通过导体板的电流为I，磁感应强度为B，电子电荷量为e。试证明：发生霍尔效应时，导体板上、下侧面间的电势差 UH＝BI/ned 。（3）由上问的结论可知，在I、n、e、d都相同的情况下，UH与B成正比，由UH的数值可以比较B的大小，因此可以把这种导体板做成磁敏元件。试问：用这种磁敏元件探测某空间的磁场时，磁敏元件摆放的方向对UH是否有影响？如果把这种导体板上、下侧面间的电压进行线性放大显示，用它做成的磁传感器的示数是否跟被测磁感应强度有线性关系？
(1)下侧面A'的电势高。【解析】图5-6中电流由电子定向运动形成，而电子的定向运动方向与电流方向相反，所以电子向左运动。根据左手定则可以判断电子受到指向上侧面的洛伦兹力，偏到A侧面，而下侧面将出现等量的正电荷，所以下侧面电势高。(2)当上下侧面有稳定电势差时，自由电子所受洛伦兹力与电场力平衡，则有eBv=eE。上下侧面间电场可视为匀强电场，故有E=U /h 。由电流的微观表达式I= nevdh,代人解得.U = BI/ned.(3)用这种磁敏元件探测空间磁场时，磁敏元件的摆放方向对U 有影响，考虑极端情况，若B的方向平行于I的方向，则U =0。当B与电流垂直且与上下侧面平行时U 为最大值。所以，使用时应该调整装置方向找到最大值。由第(2)问证明的公式可知，当I、n、 d及自由电荷一定时，U 与B成正比，然后进行了线性放大，故磁传感器的示数与被测磁感应强度有线性关系。