(2021新人教版)高中物理选择性必修第二册第5章 2.常见传感器的工作原理及应用讲义.doc
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1、2.2.常见传感器的工作原理及应用常见传感器的工作原理及应用 学习目标:学习目标:1.科学态度与责任科学态度与责任了解光敏电阻工作原理及作用。了解光敏电阻工作原理及作用。2.科学态科学态 度与责任度与责任了解热敏电阻和金属热电阻工作原理及作用。了解热敏电阻和金属热电阻工作原理及作用。3.科学态度与责任科学态度与责任 了解电阻应变片在电子秤上的应用。了解电阻应变片在电子秤上的应用。4.科学态度与责任科学态度与责任了解电容在传感器中了解电容在传感器中 应用。应用。 一、光敏电阻一、光敏电阻 1特点:光照越强特点:光照越强,电阻电阻越小越小。 2原因:光敏电阻的构成物质为半导体材料原因:光敏电阻的构
2、成物质为半导体材料, ,无光照时无光照时,载流子极少载流子极少,导导 电性能电性能不好不好;随着光照的;随着光照的增强增强,载流子增多载流子增多,导电性导电性变好变好。 3作用:把作用:把光照强弱光照强弱这个光学量转换为这个光学量转换为电阻 电阻这个电学量这个电学量。 二、热敏电阻和金属热电阻二、热敏电阻和金属热电阻 1热敏电阻热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成热敏电阻由半导体材料制成,其电阻随温度的变化明显其电阻随温度的变化明显,温度升高电阻温度升高电阻减减 小小,如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线如图甲所示为某一热敏电阻的电阻随温度变化的特性曲线。 甲甲乙乙 2金属热电阻金
3、属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而有些金属的电阻率随温度的升高而增大增大,这样的电阻也可以制作温度传感这样的电阻也可以制作温度传感 器器,称为热电阻称为热电阻,如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。 3热敏电阻与金属热电阻的区别热敏电阻与金属热电阻的区别 热敏电阻热敏电阻金属热电阻金属热电阻 特点特点电阻随温度的变化而变化电阻随温度的变化而变化电阻率随温度的升高而增大电阻率随温度的升高而增大 且非常明显且非常明显 制作材料制作材料半导体半导体金属导体金属导体 优点优点灵敏度好灵敏度好化学稳定性好化学稳定性好,测温范围大测温范围大 作用作用能够将
4、温度这个热学量转换为电阻这个电学量能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 4.注意注意: 在工作温度范围内在工作温度范围内, 电阻值随温度上升而增加的是正温度系数电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC) 热敏电阻器;电阻值随温度上升而减小的是负温度系数热敏电阻器;电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器热敏电阻器。 三、力传感器的应用三、力传感器的应用电子秤电子秤 1组成及敏感元件:由组成及敏感元件:由金属梁金属梁和和应变片应变片组成 组成,敏感元件是敏感元件是应变片应变片。 2工作原理:工作原理: 3作用:应变片将物体作用:应变片将物体形变形变这个力学量转换为这个力学
5、量转换为电压 电压这个电学量这个电学量。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”“”,错误的打错误的打“” “”) (1)随着光照的增强随着光照的增强,光敏电阻的电阻值逐渐增大光敏电阻的电阻值逐渐增大。( () ) (2)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。( () ) (3)干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的。( () ) (4)电子秤所使用的测力装置是力传感器电子秤所使用的测力装置是力传感器,它是把力信号转化为电压信号它是把力信号转化为电压信号。 ( ) (5)热敏电阻是由金属制成的热敏电
6、阻是由金属制成的,对温度感知灵敏对温度感知灵敏。( () ) 2. (多选多选)利用半导体材料可以制成利用半导体材料可以制成() A 标准电阻标准电阻 B 热敏电阻热敏电阻 C 光敏电阻光敏电阻 D 温度报警器温度报警器 BCD标准电阻的电阻值几乎不随温度的变化而变化标准电阻的电阻值几乎不随温度的变化而变化, 采用合金材料制成采用合金材料制成, A 错误错误;热敏电阻中有电阻随温度升高而降低的特点热敏电阻中有电阻随温度升高而降低的特点,采用半导体材料制造采用半导体材料制造, ,B 正确正确;光敏电阻的电阻值随着光强的增加而减小光敏电阻的电阻值随着光强的增加而减小,采用半导体制造采用半导体制造,
7、C 正确正确;可可 以采用半导体材料制造简单的温度报警器,以采用半导体材料制造简单的温度报警器,D 正确。正确。 3某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中某学习小组的同学在用多用电表研究热敏特性实验中, ,安装好如图所示安装好如图所示 的装置的装置。向杯内加入冷水向杯内加入冷水,温度计的示数为温度计的示数为 20 ,多用电表选择适当的倍率多用电表选择适当的倍率, 读出热敏电阻的阻值读出热敏电阻的阻值 R1。然后向杯内加入热水然后向杯内加入热水,温度计的示数为温度计的示数为 60 ,发现多发现多 用电表的指针偏转角度较大用电表的指针偏转角度较大,则下列说法正确的是则下列说法正确的是()
8、A多用电表应选用电流挡多用电表应选用电流挡,温度升高换用大量程测量温度升高换用大量程测量 B多用电表应选用电流挡多用电表应选用电流挡,温度升高换用小量程测量温度升高换用小量程测量 C多用电表应选用欧姆挡多用电表应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率大的挡温度升高时换用倍率大的挡 D多用电表应选用欧姆挡多用电表应选用欧姆挡,温度升高时换用倍率小的挡温度升高时换用倍率小的挡 D测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时,热敏电阻受温度变化的影响,测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时,热敏电阻受温度变化的影响, 偏转角度增大,说明电阻阻值变小,所以应换用倍率小的挡。偏转角度增大,说明电阻阻值变小,所以应换用倍率小的挡。
9、 敏感元件的认识与使用敏感元件的认识与使用 某兴趣小组为了研究电子温控装置某兴趣小组为了研究电子温控装置,将热敏电阻将热敏电阻 R1(负温度系数负温度系数)、定值电定值电阻阻 R2以及电压表和电流表连入如图所示的电路中以及电压表和电流表连入如图所示的电路中,热敏电阻的阻值随温度的升高热敏电阻的阻值随温度的升高 而减小而减小。 (1)闭合开关闭合开关 S 后后,温度升高时温度升高时,电流表的示数如何变化?电流表的示数如何变化? (2)闭合开关闭合开关 S 后后,温度降低时温度降低时,电压表的示数如何变化?电压表的示数如何变化? 提示:提示:(1)温度升高时,热敏电阻的阻值变小,干路的电流变大,所
10、以电流温度升高时,热敏电阻的阻值变小,干路的电流变大,所以电流 表的示数变大。表的示数变大。 (2)温度降低,热敏电阻的阻值变大,干路中的电流变小,温度降低,热敏电阻的阻值变大,干路中的电流变小,R2两端的电压变两端的电压变 小,电压表的示数变小。小,电压表的示数变小。 1光敏电阻的导电特性光敏电阻的导电特性 光敏电阻一般由半导体材料做成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当半导体材料受到光照时,会有更多的会有更多的 电子获得能量成为自由电子电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴同时也形成更多的空穴,于是导电性能明显增强于是导电性能明显增强。 2热敏电阻和金属热电阻的特
11、点热敏电阻和金属热电阻的特点 (1)热敏电阻热敏电阻:用半导体材料制成用半导体材料制成,电阻值随温度变化发生明显变化的电阻电阻值随温度变化发生明显变化的电阻。 如图如图所示为某热敏电阻的电阻所示为某热敏电阻的电阻温度特性曲线温度特性曲线。 (2)金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大金属热电阻:有些金属的电阻率随温度的升高而增大,如图如图所示所示,这这 样的电阻也可以制作温度传感器样的电阻也可以制作温度传感器。 热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量热敏电阻或金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量, 但相比而言但相比而言,金属热电阻的化学稳定性好金
12、属热电阻的化学稳定性好,测温范围大测温范围大,而热敏电阻的灵敏度而热敏电阻的灵敏度 较好较好。 特别提醒特别提醒 按热敏电阻随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和按热敏电阻随温度变化的规律,热敏电阻可分为正温度系数的热敏电阻和 负温度系数的热敏电阻,正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大,负温度负温度系数的热敏电阻,正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大,负温度 系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。系数的热敏电阻随温度升高电阻减小。 【例【例 1】传感器已广泛应用在生产传感器已广泛应用在生产、生活中生活中,下列关于传感器的说法正确下列关于传感器的说法正确 的是的是() A火警报警
13、器使用了压力传感器火警报警器使用了压力传感器 B冰箱控温系统使用了温度传感器冰箱控温系统使用了温度传感器 C商场里的自动门使用了光传感器商场里的自动门使用了光传感器 D夜间自动打开的路灯使用了温度传感器夜间自动打开的路灯使用了温度传感器 B火警报警器使用了温度传感器,故火警报警器使用了温度传感器,故 A 错误;冰箱控温系统使用了温度错误;冰箱控温系统使用了温度 传感器传感器,故故 B 正确正确;一般人体都有恒定的体温一般人体都有恒定的体温,一般在一般在 37 ,所以会发出特定所以会发出特定 波长波长 10 m 左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的左右的红外线,被动式红外探头就是靠探
14、测人体发射的 10 m 左右左右 的红外线而进行工作的。人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线的红外线而进行工作的。人走向门口时,门会自动打开,是因为安装了红外线 传感器,从而能感知红外线,导致门被打开,故传感器,从而能感知红外线,导致门被打开,故 C 错误;灯要求夜晚亮、白天错误;灯要求夜晚亮、白天 熄,而白天有光,黑夜没有光,则是由光导致电路的电流变化,所以电路中光熄,而白天有光,黑夜没有光,则是由光导致电路的电流变化,所以电路中光 传感器导致电阻变化,实现自动控制,因此是利用半导体的光敏性,即为光电传感器导致电阻变化,实现自动控制,因此是利用半导体的光敏性,即为光电 传感器,故传
15、感器,故 D 错误。错误。 传感器问题中的电路动态分析的四点注意传感器问题中的电路动态分析的四点注意 (1)如果涉及光敏电阻,必须明确光照情况怎样变化,从而判断出其阻值的如果涉及光敏电阻,必须明确光照情况怎样变化,从而判断出其阻值的 变化。变化。 (2)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。及温度变化情况,从而判断其阻值的变化。 (3)如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。如果是其他元件引起的电路变化可具体问题具体分析。 (4)结合电路结构特点及局部阻值的变化
16、,根据闭合电路的欧姆定律等规律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。分析有关物理量的变化。 跟进训练跟进训练 1如图所示如图所示,R1为定值电阻为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热负温度系数热 敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻),L 为小灯泡为小灯泡,当温度降低时当温度降低时 () AR1两端的电压增大两端的电压增大 B电流表的示数增大电流表的示数增大 C小灯泡的亮度变强小灯泡的亮度变强 D小灯泡的亮度变弱小灯泡的亮度变弱 CR2与灯泡与灯泡 L 并联后再与
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