高中物理 第3章 傳感器 1+2 傳感器 溫度傳感器和光傳感器教師用書 教科版選修3-2
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1.傳感器 2.溫度傳感器和光傳感器 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解傳感器的概念、結構及各部分的作用.(難點) 2.通過實驗感知半導體熱敏電阻的特性.(重點) 3.了解干簧管的構造及作用.(重點) 4.知道溫度與光傳感器常用的敏感元件及其在生活、生產中的應用.(重點) 傳 感 器 [先填空] 2.敏感元件的原理 (1)根據感知原理分類 ①物理類:基于力、熱、光、電磁和聲等物理效應. ②化學類:基于化學反應的原理. ③生物類:基于酶、抗體和激素等分子識別功能. (2)原理:大多數(shù)傳感器是通過敏感元件把非電學量轉變?yōu)殡妼W量,或轉化為電路的控制開關,從而實現(xiàn)方便的顯示、記錄、處理和控制. (3)應用實例: 半導體熱敏電阻:具有電阻隨溫度靈敏變化的特性,可以實現(xiàn)對溫度的測量.常用于溫度傳感器. 干簧管:感知磁場的敏感元件,常用于磁場控制開關. [再判斷] (1)干簧管是一種磁傳感器.(√) (2)傳感器擔負著采集信息的任務.(√) (3)傳感器是力、溫度、光、聲、化學成分轉換為電信號的主要工具.(√) [后思考] 街旁的路燈,江海里的航標都要求在夜晚亮,白天熄,利用半導體的電學特性可以制成自動點亮、熄滅的裝置,從而實現(xiàn)自動控制.想一下,這是利用了半導體的什么性質呢? 【提示】 利用了半導體敏感元件的光敏特性. [合作探討] 探討1:干簧管的工作原理及在電路中的作用是什么? 【提示】 干簧管可以感受外界磁場,當干簧管的兩個鐵質簧片處在磁場中時,兩個簧片被磁化,在磁力的作用下由原來的分離狀態(tài)變成閉合狀態(tài),磁場減弱時兩個簧片又分開,它在電路中的作用就是一個磁控開關. 探討2:舉例說明:不便于測量和控制的非電學量有哪些?便于測量和控制的電學量有哪些? 【提示】 不便于測量和控制的非電學量主要有角度、位移、速度、壓力、溫度、聲強、光照等,便于測量和控制的電學量有電壓、電流等. [核心點擊] 1.傳感器的工作流程和傳感器組成 (1)傳感器的工作流程 (2)傳感器的組成 ①敏感元件:相當于人的感覺器官,是傳感器的核心部分,是利用材料的某種敏感效應(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的. ②轉換元件:是傳感器中能將敏感元件輸出的,與被測物理量成一定關系的非電信號轉換成電信號的電子元件. ③轉換電路:是將轉換元件輸出的不易測量的電學量轉換成易于測量的電學量,如電壓、電流、電阻等. 2.傳感器的原理 傳感器感受的通常是非電學量,如力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等,而輸出的通常是電學量,如電壓、電流、電荷量等.這些輸出的信號是非常微弱的,通常需要經過放大后,再傳送給控制系統(tǒng)產生各種控制動作. 3.分類 (1)按傳感器所測量物理量分為:位移、力、速度、溫度、流量、氣體成分等傳感器. (2)按傳感器工作原理分為:電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、熱電偶等傳感器. (3)按傳感器輸出信號性質分:輸出為開關量(“1”或“0”或“開”和“關”)的開關型傳感器;輸出為模似信號的模擬型傳感器;輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器. 1.關于傳感器的下列說法正確的是( ) 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的 D.以上說法都不正確 【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;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 2.關于傳感器工作的一般流程,下列說法中正確的是( ) 【導學號:31310142】 A.非電學量→敏感元件→轉換電路→電學量→轉換元件 B.電學量→敏感元件→轉換電路→轉換元件→非電學量 C.非電學量→敏感元件→轉換元件→轉換電路→電學量 D.非電學量→轉換電路→轉換元件→敏感元件→電學量 【答案】 C 3.傳感器可以進行信息采集并把采集到的信息轉換為易于控制的量,其工作過程可能是( ) A.將力學量(如形變量)轉換成磁學量 B.將電學量轉換成熱學量 C.將光學量轉換成電學量 D.將電學量轉換成力學量 【解析】 傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量,并能把它們按照一定的規(guī)律轉換為電壓、電流等電學量或轉換為控制電路的通斷的一類元件;故只有C項正確. 【答案】 C 電學量的優(yōu)點 電學量具有便于控制、放大、衰減、波形整理、顯示、可儲存、遠距離傳輸?shù)燃夹g方面的優(yōu)點,尤其是將電學量與計算機技術結合,可以方便地實現(xiàn)信息的采集、處理、輸出的自動化和智能化,所以現(xiàn)代信息技術與自動控制中常將非電學量轉化成電學量進行信息收集. 溫 度 傳 感 器 和 光 傳 感 器 [先填空] 1.溫度傳感器 (1)概念:溫度傳感器是把溫度轉換為電信號的傳感器. (2)幾種常用的溫度傳感器: ①熱雙金屬片溫度傳感器 a.敏感元件:兩種熱膨脹系數(shù)相差較大的金屬片焊接或軋制成的熱雙金屬片. b.工作原理:溫度升高時,由于兩面金屬膨脹程度不同,雙金屬片就會變形.因此熱雙金屬片可作為溫度的敏感元件. 利用了熱雙金屬片對溫度的感知表現(xiàn)為形變的特性. ②熱電阻傳感器 a.敏感元件:用金屬絲制作的感溫電阻.(又叫熱電阻) b.熱電阻阻值與溫度t的關系 R=R0(1+θt). (R0為t=0 ℃時導體電阻,θ為溫度系數(shù)) ③熱敏電阻傳感器 a.敏感元件:半導體熱敏電阻. b.熱敏電阻的分類 一種是隨溫度升高而電阻減小的熱敏電阻,用NTC符號表示;另一類隨溫度升高而電阻增大的熱敏電阻,用PTC符號表示. c.特點及用途 熱敏電阻對溫度變化的響應很敏感,常用于測溫、溫度控制或過熱保護. 2.光傳感器 (1)概念 光傳感器是利用光敏電阻把光強這個光學量轉換為電阻這個電學量,光敏電阻的阻值隨光照強度的增大而減?。? (2)應用:火災報警器、光電式轉速器等都是利用了光電傳感器來工作的. (3)兩種實用的光傳感器 a.光電式煙塵濃度計,靠監(jiān)測煙塵濃度來工作. b.光電式轉速表 光源發(fā)出的光經透鏡會聚成平行光束照到被測旋轉物體上,被反光紙反射回來,再經透鏡聚焦落到光敏二極管上,產生與轉速對應的電脈沖信號,經信號處理電路處理后,顯示出轉速. [再判斷] (1)溫度傳感器的敏感元件一定是熱敏電阻.() (2)光敏電阻可以將電信號轉化為光信號.() (3)雙金屬片熱保護器是一種溫度傳感器.(√) [后思考] 熱敏電阻是如何將溫度這一信息轉化為電信息的? 【提示】 當溫度發(fā)生變化時連接在電路中的熱敏電阻的阻值發(fā)生變化,通過它的電流或加在它兩端的電壓就發(fā)生變化,從而可通過電壓表或電流表反映出來,即電壓或電流的變化表示溫度的變化. [合作探討] 探討1:熱敏電阻是溫度傳感器中的重要元件,是不是所有的熱敏電阻的阻值都隨溫度的升高而下降? 【提示】 不是.正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTC)在溫度升高時電阻值增大,負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)在溫度升高時電阻值減小. 探討2:醫(yī)院里給病人測體溫時,使用一種先進的非接觸式紅外測溫儀,這種測溫儀使用了溫度傳感器還是光傳感器?與傳統(tǒng)測溫儀相比,它有什么優(yōu)點? 【提示】 使用了紅外線傳感器即光傳感器,與傳統(tǒng)測溫儀相比,它有如下優(yōu)點: 第一:可以遠距離測量,不必接觸被測人體,避免交叉感染. 第二:可以立即獲取溫度數(shù)據. [核心點擊] 1.光傳感器和溫度傳感器的不同 傳感器 光傳感器 溫度傳感器 定義 能夠感受光信號,并按一定規(guī)律轉換成電信號的裝置 將溫度變化轉換為電學量變化的裝置 類型 主要有光敏電阻、光敏晶體管、光電池等 主要有熱敏電阻、熱電偶等 兩種電阻 光敏電阻由半導體材料制成,光越強,電阻越小 熱敏電阻由半導體材料制成,NTC隨溫度升高,電阻減??;PTC隨溫度升高,電阻增大 原理 電學性質隨光照變化而變化 電學性質隨溫度變化而變化 2.光敏電阻特性成因分析 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. 3.熱敏電阻的種類及特性曲線 常見的有兩種類型,圖中311甲為PTC型,乙為NTC型.PTC型為正溫度系數(shù)熱敏電阻,NTC型為負溫度系數(shù)熱敏電阻. 圖311 4.(多選)如圖312所示為電阻R隨溫度T變化的圖線,下列說法中正確的是( ) 圖312 【導學號:31310143】 A.圖線1是熱敏電阻的圖線,它是用金屬材料制成的 B.圖線2是熱敏電阻的圖線,它是用半導體材料制成的 C.圖線1的材料化學穩(wěn)定性好、測溫范圍大、靈敏度高 D.圖線2的材料化學穩(wěn)定性差、測溫范圍小、靈敏度高 【解析】 由題圖可知,圖線1是金屬熱電阻的RT圖線,圖線2是熱敏電阻的RT圖線,根據它們的材料性質和圖像特點可知,選項B、D正確. 【答案】 BD 圖313 5.如圖313所示,將一個光敏電阻接入多用電表兩表筆上,將多用電表的選擇開關置于歐姆擋,用光照射電阻時,表針自左向右偏角為θ;現(xiàn)用手掌擋住部分光線,表針的自左向右偏角為θ′,則可判斷( ) A.θ′=θ B.θ′<θ C.θ′>θ D.不能確定 【解析】 光敏電阻的阻值隨光照強度的增強而減小,用手掌擋住部分光線,阻值變大,指針自左向右的偏轉角度變小,故B正確. 【答案】 B 6.用圖314甲所示電路測量電流表的內阻,閉合電鍵S,當變阻器的滑片滑至c處時,電流表和電壓表的讀數(shù)分別為40 mA、9 V,已知圖甲中熱敏電阻的IU關系圖線如圖乙所示,則電流表的內阻為( ) 【導學號:31310144】 甲 乙 圖314 A.0.14 Ω B.85 Ω C.140 Ω D.225 Ω 【解析】 當電流表讀數(shù)為40 mA時,說明熱敏電阻的電流為40 mA,由題圖知熱敏電阻兩端電壓UR=5.6 V,則電流表兩端電壓U=9 V-5.6 V=3.4 V,由歐姆定律得RmA== Ω=85 Ω,B正確. 【答案】 B 常見敏感電阻問題的處理方法 1.明確各敏感電阻的特性 明確這些敏感電阻隨所處環(huán)境的溫度、光照、磁場、壓力等的變化而靈敏變化的情況,能從各自的特性曲線上了解或求得所需要的信息. 2.明確所考查電學實驗的原理及方法,這是解題的關鍵. 3.將敏感電阻的特性與電學實驗的原理方法相結合,運用所學的電學規(guī)律(如歐姆定律等)或力學規(guī)律(如牛頓運動定律等)解題.- 配套講稿:
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