第五章传感器2常见传感器的工作原理及应用课件（新人教版选择性必修第二册）

第五章　传感器\n2．常见传感器的工作原理及应用\n课前预习反馈课内互动探究课堂达标检测目标体系构建核心素养提升\n目标体系构建\n1．通过实验观察光敏电阻特性，观察热敏电阻特性。知道电阻应变片，了解它们的工作原理及应用。2．了解霍尔元件及其工作原理，了解霍尔元件在实际中的应用。3．能够根据传感器的工作原理简单分析传感器的应用。\n【思维脉络】\n课前预习反馈\n1．组成：把________涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的梳状电极，这样就制成了一个光敏电阻。2．特点电阻值随光照增强而______。3．原理硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能____；随着光照的增强，载流子______，导电性______。4．作用光敏电阻能够把__________这个光学量转换为______这个电学量。硫化镉知识点1光敏电阻减小差增多变好光照强弱电阻\n1．常见的感知温度的敏感元件(1)金属的电阻率随温度的______而增大，用金属丝可以制作温度传感器，称为________。(2)有些半导体在温度升高时，电阻______，用半导体材料制作______电阻。2．热敏电阻和金属热电阻的比较(1)金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为______这个电学量。(2)金属热电阻化学稳定性好，测温范围____，但灵敏度较____；热敏电阻灵敏度较______升高知识点2热敏电阻和金属热电阻数学热电阻减小热敏电阻大差好。\n1．电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生__________(伸长或缩短)时，其______随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象。电阻应变片是一种______元件。2．电阻应变片的原理：当金属丝受到拉力时，长度变____、横截面积变____，导致电阻变____；当金属丝受到压力时，长度变____、横截面积变____，导致电阻变____。3．电阻应变片的作用：电阻应变片能够把__________这个力学量转换为______这个电学量。应用有________等。机械形变知识点3电阻应变片电阻力敏长小大短短小物体形变电阻电子秤\n思考辨析『判一判』(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱而变化，光照越强电阻越大。()(2)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低。()(3)金属热电阻随温度的升高导电能力增强，它的化学稳定性好，测量范围大。()×××\n(4)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。()(5)电阻应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应。()(6)当电子秤中的应变片的上表面拉伸时，其电阻变大。()√√√\n『选一选』(2020·山东师大附中高二上学期学分认定)江海里的航标灯(如图)要求夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的()A．压敏性B．光敏性C．热敏性D．三特性都利用了解析：利用光照的不同改变半导体元件的电阻率，实现光控制。B\n『想一想』电子警察(又称电子眼)利用自动化检测与测量技术捕获交通违法或交通事故，利用网络将采集的信息传回相关部门进行分析处理，并以此为证据对肇事者进行处罚，以减少事故发生。与交警监管相比，电子警察对事故的判断更准确，捕捉更迅速。请思考：电子眼最基本的工作原理是什么呢？\n解析：电子眼采用感应线圈来感应路面上的汽车传来的压力，通过传感器将信号采集到中央处理器，送寄存器暂存(该数据在一个红灯周期内有效)。在同一个时间间隔内(红灯周期内)，如果同时产生两个脉冲信号，即视为“有效”，也就是汽车闯红灯被“电子警察”抓到了，只得接受处罚。\n课内互动探究\n探究如图所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角为θ′，请确定θ和θ′的大小关系。提示：θ>θ′光敏电阻情景导入\n1．光敏电阻的作用光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。2．光敏电阻的电阻随光照的增强而减小光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照时，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，于是导电性能明显增强。要点提炼\n(多选)如图所示为某商厦安装的光敏电阻自动计数器的示意图。其中A为光源，B为由电动机带动匀速运行的自动扶梯，R1为光敏电阻，R2为定值电阻。每当扶梯上有顾客经过挡住由A射向R1的光线时，计数器就计数一次。下列说法正确的是()典例1典例剖析\nA．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压B．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次答案：BC思路引导：解决含有光敏电阻的直流电路动态问题时，首先要明确该敏感元件阻值大小的变化规律，然后根据闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况。\n\n1．如图所示，用光敏电阻LDR和灯泡制成的一种简易水污染指示器，下列说法中正确的是()A．严重污染时，LDR是高电阻B．轻度污染时，LDR是高电阻C．无论污染程度如何，LDR的电阻不变，阻值大小由材料本身因素决定D．该仪器的使用不会因为白天和晚上受到影响对点训练A\n解析：严重污染时，透过污水照到LDR上的光线较少，LDR电阻较大，A对、B错；LDR由半导体材料制成，受光照影响电阻会发生变化，C错；白天和晚上自然光强弱不同，或多或少会影响LDR的电阻，D错。\n探究如图所示，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高，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，表针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，表针将如何偏转？热敏电阻和金属热电阻情景导入提示：由于酒精蒸发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，指针将向右偏。\n热敏电阻和金属热电阻的比较要点提炼分类热敏电阻金属热电阻特点负温度系数的热敏电阻，电阻率随温度的升高而减小电阻率随温度的升高而增大R－T图像(负温度系数的热敏电阻)\n分类热敏电阻金属热电阻制作材料半导体金属导电原理自由电子和空穴等载流子自由电子的定向移动优点灵敏度较好化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差作用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量\n(多选)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的带电荷量增加B．电压表的读数增大C．电容器C两板间的电场强度减小D．R1消耗的功率增大典例2典例剖析AB\n思路引导：(1)如果涉及热敏电阻，必须明确是正温度系数还是负温度系数的热敏电阻及温度变化情况，从而判断其阻值的变化。(2)结合电路结构特点及局部阻值的变化，根据闭合电路的欧姆定律等规律分析有关物理量的变化。\n2．如图所示，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，发现小灯泡亮度变暗，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对点训练C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。\n探究如图所示，这是常用的一种力传感器，它是由金属梁和应变片组成的，应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成。结合力传感器的特点，叙述它的工作原理。电阻应变片及其应用情景导入\n提示：弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，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，下表面的电阻变小。F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出的电压差值也就越大。应变片能把物体形变这个力学量，转换为电压这个电学量。\n1．电阻应变片(1)类型常用的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片是利用金属的电阻应变效应制成的。半导体电阻应变片是基于半导体材料的压阻效应制成的。(2)作用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。要点提炼\n\n有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图中的虚线所示，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器)、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下表所示：典例3典例剖析压力F/N050100150200250300…电阻R/Ω300270240210180150120…\n设踏板的杠杆组件的质量不计，接通电源后，压力传感器两电压恒为4.68V，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；(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20mA，这个人的体重是多少？思路引导：(1)认真分析归纳图表中R与F的关系。(2)由欧姆定律确定零刻度线。(3)由杠杆原理确定人的体重。\n答案：(1)R＝300－0.6F(Ω)(2)15.6mA(3)550N\n3．(多选)(2021·河南鹤壁一中高三质检)工业生产中需要物料配比的地方常用“吊斗式”电子秤，图甲所示的是“吊斗式”电子秤的结构图，其中实现称质量的关键性元件是拉力传感器。拉力传感器的内部电路如图丙所示，R1、R2、R3是定值电阻，R1＝20kΩ，R2＝10kΩ，R0是对拉力敏感的应变片电阻，其电阻值随拉力变化的图像如图乙所示，已知料斗重1×103N，没装料时Uba＝0，g取10m/s2。下列说法中正确的是()对点训练\nA．R3的阻值为40kΩB．装料时，R0的阻值逐渐变大，Uba的值逐渐变小C．拉力越大应变片电阻阻值也越大，Uba的值也越大D．应变片的作用是把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量答案：AC\n核心素养提升\n霍尔元件1．霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)。\n\n(2020·湖北省华中师大附中高二上学期期末)自行车速度计的工作原理主要依靠的就是安装在前轮上的一块磁铁，当磁铁运动到霍尔传感器附近时，就产生了霍尔电压，霍尔电压通过导线传入一个小型放大器中，放大器就能检测到霍尔电压，这样便可测出在某段时间内的脉冲数。当自行车以某个速度匀速直线行驶时，检测到单位时间内的脉冲数为N，已知磁铁和霍尔传感器到前轮轮轴的距离均为R1，前轮的半径为R2，脉冲的宽度为Δt，峰值为Um，下列说法正确的是()案例\nA．车速越快，脉冲的峰值Um越大B．车速越快，脉冲的宽度Δt越大C．车速为2πNR2D．车速为2πNR1答案：C\n\n课堂达标检测\n1．(2021·四川省青城山高二调研)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．小灯泡的亮度变弱解析：R2与灯泡L并联后再与R1串联，与电源构成闭合电路，当温度降低时，热敏电阻R2阻值增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯泡L两端的电压增大，灯泡的亮度变强，R1两端的电压减小，故只有C正确。C\n2．(2020·山东省济南市高三模拟)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是()\nA．从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动B．从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动C．从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动D．从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动答案：D解析：在0～t1内，I恒定，压敏电阻的阻值不变，压敏电阻受力不变，小车可能做匀速直线运动或匀变速直线运动；在t1～t2内，I变大，阻值变小，压敏电阻所受的压力不断变大，小车做变加速直线运动。A、B错；在t2～t3内，I达到最大值且不变，即压力达到最大值且不变，小车做匀加速直线运动。C错，D对。\n3．(多选)(2020·安徽滁州高二期末)利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图所示是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，当元件中通入图示方向的电流I时，C、D两侧面会形成一定的电势差U。下列说法中正确的是()\nA．若C侧面电势高于D侧面，则元件中形成电流的载流子带负电B．若C侧面电势高于D侧面，则元件中形成电流的载流子带正电C．在地球南、北极上方测地磁场强弱时，元件工作面竖直放置时U最大D．在地球赤道上方测地磁场强弱时，元件工作面竖直放置，且与地球经线垂直时U最大答案：AD\n解析：若元件的载流子带负电，由左手定则可知，带负电的载流子受到洛伦兹力向D侧面偏，则C侧面的电势高于D侧面的电势。A对；若元件的载流子带正电，由左手定则可知，带正电的载流子受到洛伦兹力向D侧面偏，则D侧面的电势高于C侧面的电势。B错；在测地球南、北极上方的地磁场强弱时，因磁场沿竖直方向，则元件的工作面保持水平时U最大。C错；地球赤道上方的地磁场方向水平，在测地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持竖直，当与地球经线垂直时U最大。D对。