《高中物理 第5章 傳感器及其應用 第1、2節(jié) 揭開傳感器的“面紗”、常見傳感器的工作原理課件 魯科版選修3-2.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《高中物理 第5章 傳感器及其應用 第1、2節(jié) 揭開傳感器的“面紗”、常見傳感器的工作原理課件 魯科版選修3-2.ppt（79頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

傳感器及其應用 第5章 第1節(jié)揭開傳感器的 面紗 第2節(jié)常見傳感器的工作原理 記學習目標 1 知道什么是傳感器 2 知道非電學量轉換成電學量的技術意義 3 了解傳感器的基本構成及各部分作用 4 通過動手制作體會傳感器的工作原理 學基礎導學 1 定義 能夠感受外界信息 并將其按照一定的規(guī)律轉換成 的器件或裝置 叫做傳感器 2 應用 傳感器通常應用在 和自動控制系統(tǒng)中 擔負著信息采集和轉化任務 與壓力 位移 速率 加速度 流量 溫度 濃度等 相比 電壓 電流 電阻 電容和電感等電學量更加便于儀表顯示和用于自動控制 所以傳感器通常需要把 量轉化為 量 一 什么是傳感器 電信號 自動測量 非電學量 非電學 電學 1 種類 按傳感器工作原理的不同把傳感器分為 傳感器 傳感器和 傳感器 1 傳感器是利用物質的物理性質和物理效應感知并檢測出待測對象信息的傳感器 如電容傳感器 電感傳感器 光電傳感器 壓電傳感器等 二 種類繁多的傳感器 物理 化學 生物 物理 2 傳感器是利用化學反應識別和檢測信息的傳感器 如氣敏傳感器 濕敏傳感器等 3 傳感器是指通過生物化學反應識別和檢測信息的傳感器 它是由固定生物體和適當轉換器件組合成的系統(tǒng) 如組織傳感器 細胞傳感器 酶傳感器等 化學 生物 2 傳感器的一般結構 1 結構 傳感器一般由 元件 轉換元件和 電路組成 有時還需要加輔助電源 敏感 轉換 2 各部分的功能 敏感元件 是傳感器的核心部分 利用材料的某種 制成的 轉換元件 是傳感器中將 信號轉換成 的電子元件 轉換電路 作用是將轉換電路得到的電信號轉換成易于傳輸或測量的 輸出 敏感特性 非電學 電信號 電學量 1 光電傳感器 光電傳感器是一種能夠感受 信號 并按照一定規(guī)律把 信號轉換成 信號的器件或裝置 它采用的敏感元件是 電阻 2 光敏電阻 光敏電阻是用金屬硫化物等 材料制成的 當光照射到這些半導體物質上時 它的電阻率 阻值也隨之 入射光強 電阻 入射光弱 電阻 3 光電傳感器的工作原理 光敏電阻能夠把 這個光學量轉換為 這個電學量 三 光電傳感器的原理 光 光 電 光敏 半導體 減小 減小 小 大 光照強弱 電阻 1 溫度傳感器 溫度傳感器是一種將 變化轉換為 變化的裝置 2 敏感元件 溫度傳感器中常見敏感元件有 和 等 它們都是利用敏感元件的某種電學特性隨 變化而變化的特性制成的 3 熱敏電阻 半導體的電阻會隨溫度的變化而改變 熱敏電阻就是利用半導體的這種特性制成的 上述實驗使用的NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小 還有一種PTC熱敏電阻 它的阻值隨溫度的升高而 四 探究溫度傳感器的原理 溫度 電學量 熱敏電阻 熱電阻 溫度 增大 4 溫度傳感器的工作原理 溫度傳感器利用的是熱敏電阻或金屬熱電阻能夠把 這個熱學量轉換為 這個電學量的特性 5 應用 熱敏電阻是一種靈敏度極高的溫度傳感器 在測溫過程中響應非常快 利用熱敏電阻制成的電子體溫計能很快測出體溫 家用電器 如電腦 空調 電冰箱等 的溫度傳感器主要使用 電阻 溫度 電阻 熱敏 悟名師指點 1 三類傳感器的異同 1 相同點 都能將感受到的非電學量信息轉化成電學量 都是利用敏感元件的某種敏感效應制成的 2 不同點 三類傳感器的工作原理不同 所利用的敏感元件的敏感效應不同 生物傳感器與物理傳感器和化學傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的感受器中含有生命物質 一 三類傳感器的異同及常見傳感器 2 幾種常見傳感器的工作原理及用途比較 傳感器與電腦相結合 構成了神通廣大的自動控制與自動測量系統(tǒng) 物理傳感器作為開發(fā)最早的一類傳感器 種類繁多 性能穩(wěn)定 技術成熟 應用也最廣泛 發(fā)現(xiàn)新的敏感材料是開發(fā)新式傳感器的基礎 1 下列關于傳感器的說法正確的是 A 所有傳感器的材料都是由半導體材料做成的B 金屬材料也可以制成傳感器C 傳感器主要是通過感知電壓的變化來傳遞信號D 溫度傳感器只能由半導體材料制成解析 半導體材料可以制成傳感器 其他材料也可以制成傳感器 如金屬氧化物氧化錳就可以制成溫度計 所以A錯 B正確 D錯 傳感器不但能感知電壓的變化 還能感受力 溫度 光 聲 化學成分等非電學量 所以C錯 答案 B 1 半導體的導電機理 以半導體材料硅為例說明半導體的導電機理 下圖是硅原子排列示意圖 每個原子的最外層有4個電子 由于熱運動或其他原因 其中極少數(shù)電子可能獲得較大的能量 掙脫原子的束縛而成為自由電子 這樣 在原來的地方就留下一個空位 稱為 空穴 空穴相當于一個正電荷 當這個空穴由附近原子中的電子來填補時 就出現(xiàn)了一個新的空穴 這種變化相當于空穴在移動 二 半導體的導電機理及光敏電阻的特性 如果有了外電場 自由電子和空穴會向相反的方向做定向移動 于是在半導體中形成了電流 自由電子和空穴都叫做載流子 carrier 2 光敏電阻的特性當光敏電阻受到光照射時 會有更多的電子獲得能量成為自由電子 同時也形成更多的空穴 于是導電性明顯地增強 電阻減小 不受光照射時的電阻阻值是受光照射時的100倍 1000倍 1 半導體材料的導電機理決定了光敏電阻的電阻特性 不要將光敏電阻與金屬電阻混淆 2 光照越強 光敏電阻的電阻率越小 反之則越大 2 如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖 其中R1為光敏電阻 R2為定值電阻 此光電計數(shù)器的基本工作原理是 A 當有光照射R1時 信號處理系統(tǒng)獲得高電壓B 當有光照射R1時 信號處理系統(tǒng)獲得低電壓C 信號處理系統(tǒng)每獲得一次低電壓就記數(shù)一次D 以上說法都不對解析 當光照射光敏電阻R1時 光敏電阻R1的阻值減小 回路中電流增大 R2兩端的電壓升高 信號處理系統(tǒng)得到高電壓 計數(shù)器每由高電壓轉到低電壓 就計一次數(shù) 從而能達到計數(shù)的目的 故正確答案為A C 答案 AC 1 熱敏電阻熱敏電阻由半導體材料制成 當半導體材料的溫度升高時 必定接收了外界的能量 自己的內能增加 加劇內部分子 或原子 的熱運動 使很多束縛電荷變?yōu)樽杂呻姾?載流子增多 增強了導電性 熱敏電阻有溫度系數(shù)大 靈敏度極高 反應迅速 體積小 壽命長等優(yōu)點 三 熱敏電阻的特性 分類及應用 2 熱敏電阻的兩種類型熱敏電阻的電阻率隨溫度變化而明顯變化 常見的有兩種類型 1 正溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC熱敏電阻 這種熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而增大 其特性與金屬熱電阻相似 其電阻隨溫度的變化圖象如圖 2 負溫度系數(shù)熱敏電阻 NTC熱敏電阻 這種熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而明顯減小 其電阻隨溫度的變化圖象如圖 3 熱敏電阻的用途熱敏電阻可以將溫度這一非電學量的變化轉化為電阻的變化 進而轉化為電流或電壓這些電學量的變化 理論上說 所有與溫度有關的問題都可以使用熱敏電阻 熱敏電阻的靈敏性好但穩(wěn)定性較差 測溫范圍較小 1 熱敏電阻的阻值隨溫度的升高其阻值有可能減小 也有可能增大 2 半導體熱敏電阻雖然有很多優(yōu)點 但其測溫范圍較小 3 半導體熱敏電阻不能用來制造標準電阻 3 如圖所示 將多用電表的選擇開關置于 歐姆 擋 再將電表的兩支表筆與負溫度系數(shù)熱敏電阻Rt 的兩端相連 這時表針恰好指在刻度盤的正中間 若往Rt上擦一些酒精 表針將向 填 左 或 右 移動 若用吹風機將熱風吹向電阻 表針將向 填 左 或 右 移動 解析 若往Rt上擦一些酒精 由于酒精蒸發(fā)吸熱 熱敏電阻Rt溫度降低 電阻值增大 所以電流減小 指針應向左偏 用吹風機將熱風吹向電阻 熱敏電阻Rt溫度升高 電阻值減小 電流增大 指針向右偏 答案 左右 1 電容式傳感器的工作原理電容器的電容C決定于極板正對面積S 板間距離d以及極板間的電介質這幾個因素 如果某一物理量 如角度 位移s 深度h等 的變化能引起上述某個因素的變化 必將引起電容的變化 通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化 四 電容式傳感器的原理及應用 2 電容式傳感器的一些常見應用 1 圖甲是用來測定角度 的電容式傳感器 當動片與定片之間的角度 發(fā)生變化時 引起極板正對面積S的變化 使電容C發(fā)生變化 知道C的變化 就可以知道 的變化情況 甲乙 2 圖乙是測定液面高度h的電容式傳感器 在導線芯的外面涂上一層絕緣物質 放入導電液體中 導線芯和導電液體構成電容器的兩個極 導線芯外面的絕緣物質就是電介質 液面高度h發(fā)生變化時 引起正對面積發(fā)生變化 使電容C發(fā)生變化 知道C的變化 就可以知道h的變化情況 4 圖丁是測定位移s的電容式傳感器 隨著電介質進入極板間的長度發(fā)生變化 電容C發(fā)生變化 知道C的變化 就可以知道s的變化情況 丁 4 電容式傳感器是用來將各種非電信號轉變?yōu)殡娦盘柕难b置 由于電容器的電容C取決于極板正對面積S 極板間距離d以及極板間的電介質這幾個因素 當某一物理量發(fā)生變化時就能引起上述某個因素的變化 從而又可推出另一個物理量的值 如圖所示是四種電容式傳感器的示意圖 關于這四種傳感器的作用 下列說法不正確的是 A 甲圖的傳感器可以用來測量角度B 乙圖的傳感器可以用來測量液面的高度C 丙圖的傳感器可以用來測量壓力D 丁圖的傳感器可以用來測量速度解析 甲圖角度變化能導致極板正對面積變化 乙圖高度變化能導致極板正對面積變化 丙圖F變化能導致極板間距變化 丁圖物體位置變化導致電介質變化 所以 甲 乙 丙 丁分別是測角度 高度 壓力 位移的物理量 答案 D 1 生物傳感器的定義 生物傳感器是指用固定化的生物體成分 酶 抗原 抗體 激素等 或生物體本身 細胞 細胞器 組織等 作為敏感元件 利用生物化學反應識別和檢測信息的傳感器 五 生物傳感器的特點 2 生物傳感器的特點除了生物傳感器的感受器中含有生命物質 這是生物傳感器與物理傳感器和化學傳感器的本質區(qū)別 生物傳感器還有以下特點 1 采用固定化生物活性物質作催化劑 價值昂貴的試劑可以重復多次使用 克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點 2 專一性強 只對特定的底物起反應 而且不受顏色 濁度的影響 3 分析速度快 可以在一分鐘得到結果 4 準確度高 一般相對誤差可以達到1 5 操作系統(tǒng)比較簡單 容易實現(xiàn)自動分析 6 成本低 在連續(xù)使用時 每例測定僅需要幾分錢人民幣 7 有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內的供氧狀況和副產物的產生 在產物控制中能得到許多復雜的物理化學傳感器綜合作用才能獲得的信息 5 2008年 中國牛奶行業(yè)經歷了一次嚴峻考驗在 許多牛奶制品中被檢測出化學原料三聚氰胺 在多種檢測三聚氰胺的方法中有一種 酶標法檢測 若這種檢測方法 使用了傳感器 應為傳感器中的哪一類 A 物理傳感器B 化學傳感器C 生物傳感器D 溫度傳感器解析 檢測方法為酶標法 所以其原理應該是利用了生物酶 故應為生物傳感器 所以C正確 答案 C 講典例精析 如圖所示 R1 R2為定值電阻 L為小燈泡 R3為光敏電阻 當光照強度增大時 A 電壓表的示數(shù)增大B R2中的電流減小C 小燈泡的功率增大D 電路中的路端電壓增大 光電傳感器的特性及應用 解析 當光強增大時 R3的阻值減小 外電路電阻隨R3的減小而減小 隨之是干路電流增大 R1上的電壓增大 所以V的示數(shù)增大 同時內電壓增大 路端電壓減小 所以有R2并聯(lián)的整部分電壓減小 使通過R2的電流減小 因此通過燈泡支路的電流是增大的 故有小燈泡變亮 即功率增大 選項A B C正確 答案 ABC 光敏電阻的變化 造成整個電路的總電阻變化 解決這類問題的方法是 先研究由于個別電阻的變化而引起的電路中的總電阻怎么變化 再分析總電流怎樣變化 接著分析路端電壓怎樣變化 最后分析各支路 這是傳感器與直流電路的綜合問題 1 1 利用光敏電阻制作的光傳感器 記錄了傳送帶上工件的輸送情況 如圖甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感記錄器 光傳感器B能接收到發(fā)光元件A發(fā)出的光 每當工件擋住A發(fā)出的光時 光傳感器輸出一個電信號 并在屏幕上顯示出電信號與時間的關系 如圖乙所示 若傳送帶始終勻速運動 每兩個工件間的距離均為0 2m 則下列說法中正確的是 A 傳送帶運動的速度是0 1m sB 傳送帶運動的速度是0 2m sC 該傳送帶每小時輸送3600個工件D 該傳送帶每小時輸送7200個工件 解析 在該計數(shù)裝置中 A是發(fā)光的光源 B是光傳感器 B中的主要元件是光敏電阻 當沒有光照射B時 傳感器計數(shù)一次 由圖可看出 1s計數(shù)1次 兩工件間距離為0 2m 所以傳送帶運動速度是0 2m s 每小時輸送3600個工件 故正確答案為BC 答案 BC 下圖為某一熱敏電阻 電阻值隨溫度的改變而改變 且對溫度很敏感 的I U關系曲線圖 溫度傳感器的特性及應用 1 為了通過測量得到如圖所示I U關系的完整曲線 在下圖甲 乙兩個電路中應選擇的是圖 簡要說明理由 電源電動勢為9V 內阻不計 滑動變阻器的阻值為0 100 2 在圖丙所示電路中 電源電壓恒為9V 電流表讀數(shù)為70mA 定值電阻R1 250 由熱敏電阻的I U關系曲線可知 熱敏電阻兩端的電壓為 V 電阻R2的阻值約為 3 舉出一個可以應用熱敏電阻的例子 解析 1 由題給熱敏電阻的I U圖線知 I U關系圖線是0 6V間連續(xù)曲線 熱敏電阻的阻值非定值 在選擇實驗電路時電路必須能保證提供0 6V間的連續(xù)電壓 所以電路應選擇甲電路 2 根據(jù)電源電壓可求出電阻R1的電流為36mA 所以熱敏電阻的電流為34mA 由圖可以讀出熱敏電阻兩端的電壓為5 2V 因此R2兩端的電壓為3 8V 即可求出R2電阻約為111 8 答案 1 甲電壓可從0V調到所需電壓 調節(jié)范圍較大 2 5 2111 8 111 6 112 0均正確 3 熱敏溫度計 提出其他實例 只要合理均可 2 1 如圖所示 R1為定值電阻 R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻 負溫度系數(shù)熱敏電阻是指阻值隨溫度的升高而減小的熱敏電阻 L為小燈泡 當溫度降低時 A R1兩端的電壓增大B 電流表的示數(shù)增大C 小燈泡的亮度變強D 小燈泡的亮度變弱 解析 R2與燈L并聯(lián)后與R1串聯(lián) 與電源構成閉合電路 當溫度降低時 熱敏電阻R2阻值增大 外電路電阻增大 電流表讀數(shù)減小 燈L電壓增大 燈泡亮度變強 R1兩端電壓減小 故C正確 其余各項均錯誤 答案 C 電容器的電容C決定于極板正對面積S 極板間距離d以及極板間的電介質這幾個因素 如果某一物理量 如角度 位移x 深度h等 的變化能引起上述某個因素的變化 將引起電容的變化 通過測定電容器的電容就可以確定上述物理量的變化 電容式傳感器的特性及應用 傳感器是一種采集信息的重要器件 如圖所示是由電容器作為傳感器來測定壓力變化的 當待測壓力作用于膜片電極上時 下列說法正確的是 若F向下壓膜片電極 電路中有從a到b的電流 若F向下壓膜片電極 電路中有從b到a的電流 若F向下壓膜片電極 電路中不會有電流產生 若電流表有示數(shù) 說明壓力F發(fā)生變化 若電流表有示數(shù) 說明壓力F不會發(fā)生變化A B C D 答案 A 3 1 如圖所示 是一個測定液面高度的傳感器 在導線芯的外面涂上一層絕緣物質 放在導電液體中 導線芯和導電液構成電容器的兩極 把這兩極接入外電路 當外電路的電流變化說明電容值增大時 則導電液體的深度h變化為 A h增大B h減小C h不變D 無法確定 解析 由題意知 導線和導電液體構成電容器的兩極 類似于平行板電容器的兩極 當液面高度發(fā)生變化時相當于兩極正對面積發(fā)生變化 會引起電容的變化 與平行板電容器類比可得 導電液體深度h增大時 導電芯和導電液體正對面積增大 電容器的電容值變大 答案 A 試綜合應用 傳感器擔負著信息采集的任務 在自動控制中發(fā)揮著重要作用 傳感器能夠將感受到的物理量 如溫度 光 聲等 轉換成便于測量的量 通常是電學量 例如熱傳感器 主要是應用了半導體材料制成的熱敏電阻 熱敏電阻隨溫度變化的圖線如圖甲所示 圖乙是用熱敏電阻R1作為傳感器制作的簡單自動報警器原理圖 則 傳感器的應用 1 為了使溫度過高時報警器鈴響 開關應接在 填 a 或 b 2 若使啟動報警的溫度提高些 應將滑動變阻器的滑片P向 移動 填 左 或 右 思路點撥 通電螺線管和彈簧共同作用 實現(xiàn)報警器電路的通斷 磁性增強 電路接通 報警器報警 磁性減弱 電路斷開 報警器不響 解析 溫度較高時 熱敏電阻阻值減小 圖乙中通電螺線管的磁性增強 將與彈簧相連的金屬導體向左吸引 要使報警器所在電路接通并報警的話 開關應接在a 要實現(xiàn)溫度更高時 即熱敏電阻更小時才將報警器電路接通的話 應該將滑動變阻器連入電路的阻值調大 即P向左移動 答案 1 a 2 左 電路中的光敏電阻 熱敏電阻隨光照或溫度的變化阻值發(fā)生變化時 電路中的電流 每一段電路兩端的電壓都要發(fā)生變化 即電路發(fā)生動態(tài)變化 分析順序遵循從部分到整體再到部分的思路進行分析 高考題中常常出現(xiàn) 解析 當電熱滅蚊器溫度由0升到t1的過程中 電阻器的電阻率 隨溫度升高而減小 其電阻R隨之減小 由于加在滅蚊器上的電壓U保持不變 滅蚊器的熱功率P隨之增大 當t t1時 P P1達到最大 當溫度由t1升高到t2的過程中 增大 R增大 P減小 而溫度越高 其與外界環(huán)境溫度的差別也就越大 高于環(huán)境溫度的電熱滅蚊器的散熱功率P 也就越大 因此在這之間的某一溫度t3會有P P3 P 即電熱功率P減小到等于散熱功率時 即達到保溫 當tP 使溫度自動升高到t3 當t t3 P P 使溫度自動降為t3 實現(xiàn)自動保溫 故A D正確B C錯誤 答案 AD 練隨堂演練 1 關于傳感器的下列說法正確的是 A 傳感器通常應用在自動測量和自動控制系統(tǒng)中 擔受著信息采集和轉化任務B 電感式傳感器屬于物理傳感器C 化學傳感器是將生命物質當作感受器進行信息轉化的D 組織傳感器屬于生物傳感器答案 ABD 2 關于光敏電阻 下列說法正確的是 A 受到光照越強 電阻越小B 受到光照越弱 電阻越小C 它的電阻與光照強弱無關D 以上說法都不正確解析 光照增強時 光敏電阻中載流體增多 所以導電能力增強 電阻越小 答案 A 3 對熱敏電阻 正確的敘述是 A 受熱后 電阻隨溫度的升高而迅速變化B 受熱后 電阻基本不變C 熱敏電阻可以用來測量很小范圍內的溫度 反應快 而且精確度高D 以上說法都不對解析 熱敏電阻隨溫度的升高其電阻值減小 熱敏電阻可以用來測量很小范圍內的溫度 反應快 而且精確度高 答案 AC 解析 光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而弱小 用手掌擋住部分光線 阻值變大 指針自左向右偏轉角度變小 答案 B 解析 若為金屬熱電阻 溫度升高后 電阻變大 讀數(shù)變化不明顯 A B錯誤 若為熱敏電阻 讀數(shù)將明顯變化 C對D錯 答案 C 謝謝觀看