高中物理 第3章 传感器 1+2 传感器 温度传感器和光传感器教师用书 教科版选修3-2

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1．传感器 2．温度传感器和光传感器 学 习 目 标 知 识 脉 络 1.了解传感器的概念、结构及各部分的作用．(难点) 2.通过实验感知半导体热敏电阻的特性．(重点) 3.了解干簧管的构造及作用．(重点) 4.知道温度与光传感器常用的敏感元件及其在生活、生产中的应用．(重点) 传 感 器 [先填空] 2．敏感元件的原理 (1)根据感知原理分类 ①物理类：基于力、热、光、电磁和声等物理效应． ②化学类：基于化学反应的原理． ③生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能． (2)原理：大多数传感器是通过敏感元件把非电学量转变为电学量，或转化为电路的控制开关，从而实现方便的显示、记录、处理和控制． (3)应用实例： 半导体热敏电阻：具有电阻随温度灵敏变化的特性，可以实现对温度的测量．常用于温度传感器． 干簧管：感知磁场的敏感元件，常用于磁场控制开关． [再判断] (1)干簧管是一种磁传感器．(√) (2)传感器担负着采集信息的任务．(√) (3)传感器是力、温度、光、声、化学成分转换为电信号的主要工具．(√) [后思考] 街旁的路灯，江海里的航标都要求在夜晚亮，白天熄，利用半导体的电学特性可以制成自动点亮、熄灭的装置，从而实现自动控制．想一下，这是利用了半导体的什么性质呢？ 【提示】　利用了半导体敏感元件的光敏特性． [合作探讨] 探讨1：干簧管的工作原理及在电路中的作用是什么？ 【提示】　干簧管可以感受外界磁场，当干簧管的两个铁质簧片处在磁场中时，两个簧片被磁化，在磁力的作用下由原来的分离状态变成闭合状态，磁场减弱时两个簧片又分开，它在电路中的作用就是一个磁控开关． 探讨2：举例说明：不便于测量和控制的非电学量有哪些？便于测量和控制的电学量有哪些？ 【提示】　不便于测量和控制的非电学量主要有角度、位移、速度、压力、温度、声强、光照等，便于测量和控制的电学量有电压、电流等． [核心点击] 1．传感器的工作流程和传感器组成 (1)传感器的工作流程 (2)传感器的组成 ①敏感元件：相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的． ②转换元件：是传感器中能将敏感元件输出的，与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件． ③转换电路：是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等． 2．传感器的原理 传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等．这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作． 3．分类 (1)按传感器所测量物理量分为：位移、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器． (2)按传感器工作原理分为：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、热电偶等传感器． (3)按传感器输出信号性质分：输出为开关量(“1”或“0”或“开”和“关”)的开关型传感器；输出为模似信号的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器． 1．关于传感器的下列说法正确的是(　　) A．所有传感器的材料都是由半导体材料做成的 B．金属材料也可以制成传感器 C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D．以上说法都不正确 【解析】　半导体材料可以制成传感器，其他材料也可以制成传感器，如金属氧化物氧化锰就可以制成温度计，所以A错，B正确；传感器不但能感知电压的变化，还能感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，所以C错． 【答案】　B 2．关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是(　　) 【导学号：31310142】 A．非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换元件 B．电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量 C．非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量 D．非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量 【答案】　C 3.传感器可以进行信息采集并把采集到的信息转换为易于控制的量，其工作过程可能是(　　) A．将力学量(如形变量)转换成磁学量 B．将电学量转换成热学量 C．将光学量转换成电学量 D．将电学量转换成力学量 【解析】　传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量或转换为控制电路的通断的一类元件；故只有C项正确． 【答案】　C 电学量的优点 电学量具有便于控制、放大、衰减、波形整理、显示、可储存、远距离传输等技术方面的优点，尤其是将电学量与计算机技术结合，可以方便地实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化，所以现代信息技术与自动控制中常将非电学量转化成电学量进行信息收集． 温 度 传 感 器 和 光 传 感 器 [先填空] 1．温度传感器 (1)概念：温度传感器是把温度转换为电信号的传感器． (2)几种常用的温度传感器： ①热双金属片温度传感器 a．敏感元件：两种热膨胀系数相差较大的金属片焊接或轧制成的热双金属片． b．工作原理：温度升高时，由于两面金属膨胀程度不同，双金属片就会变形．因此热双金属片可作为温度的敏感元件． 利用了热双金属片对温度的感知表现为形变的特性． ②热电阻传感器 a．敏感元件：用金属丝制作的感温电阻．(又叫热电阻) b．热电阻阻值与温度t的关系 R＝R0(1＋θt)． (R0为t＝0 ℃时导体电阻，θ为温度系数) ③热敏电阻传感器 a．敏感元件：半导体热敏电阻． b．热敏电阻的分类 一种是随温度升高而电阻减小的热敏电阻，用NTC符号表示；另一类随温度升高而电阻增大的热敏电阻，用PTC符号表示． c．特点及用途 热敏电阻对温度变化的响应很敏感，常用于测温、温度控制或过热保护． 2．光传感器 (1)概念 光传感器是利用光敏电阻把光强这个光学量转换为电阻这个电学量，光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小． (2)应用：火灾报警器、光电式转速器等都是利用了光电传感器来工作的． (3)两种实用的光传感器 a．光电式烟尘浓度计，靠监测烟尘浓度来工作． b．光电式转速表 光源发出的光经透镜会聚成平行光束照到被测旋转物体上，被反光纸反射回来，再经透镜聚焦落到光敏二极管上，产生与转速对应的电脉冲信号，经信号处理电路处理后，显示出转速． [再判断] (1)温度传感器的敏感元件一定是热敏电阻．() (2)光敏电阻可以将电信号转化为光信号．() (3)双金属片热保护器是一种温度传感器．(√) [后思考] 热敏电阻是如何将温度这一信息转化为电信息的？ 【提示】　当温度发生变化时连接在电路中的热敏电阻的阻值发生变化，通过它的电流或加在它两端的电压就发生变化，从而可通过电压表或电流表反映出来，即电压或电流的变化表示温度的变化． [合作探讨] 探讨1：热敏电阻是温度传感器中的重要元件，是不是所有的热敏电阻的阻值都随温度的升高而下降？ 【提示】　不是．正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小． 探讨2：医院里给病人测体温时，使用一种先进的非接触式红外测温仪，这种测温仪使用了温度传感器还是光传感器？与传统测温仪相比，它有什么优点？ 【提示】　使用了红外线传感器即光传感器，与传统测温仪相比，它有如下优点： 第一：可以远距离测量，不必接触被测人体，避免交叉感染． 第二：可以立即获取温度数据． [核心点击] 1．光传感器和温度传感器的不同 传感器 光传感器 温度传感器 定义 能够感受光信号，并按一定规律转换成电信号的装置 将温度变化转换为电学量变化的装置 类型 主要有光敏电阻、光敏晶体管、光电池等 主要有热敏电阻、热电偶等 两种电阻 光敏电阻由半导体材料制成，光越强，电阻越小 热敏电阻由半导体材料制成，NTC随温度升高，电阻减小；PTC随温度升高，电阻增大 原理 电学性质随光照变化而变化 电学性质随温度变化而变化 2.光敏电阻特性成因分析 当光敏电阻受到光照射时，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，于是导电性明显地增强，电阻减小． 3．热敏电阻的种类及特性曲线 常见的有两种类型，图中311甲为PTC型，乙为NTC型．PTC型为正温度系数热敏电阻，NTC型为负温度系数热敏电阻． 图311 4．(多选)如图312所示为电阻R随温度T变化的图线，下列说法中正确的是(　　) 图312 【导学号：31310143】 A．图线1是热敏电阻的图线，它是用金属材料制成的 B．图线2是热敏电阻的图线，它是用半导体材料制成的 C．图线1的材料化学稳定性好、测温范围大、灵敏度高 D．图线2的材料化学稳定性差、测温范围小、灵敏度高 【解析】　由题图可知，图线1是金属热电阻的RT图线，图线2是热敏电阻的RT图线，根据它们的材料性质和图像特点可知，选项B、D正确． 【答案】　BD 图313 5．如图313所示，将一个光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射电阻时，表针自左向右偏角为θ；现用手掌挡住部分光线，表针的自左向右偏角为θ′，则可判断(　　) A．θ′＝θ　　　　　　 B．θ′<θ C．θ′>θ D．不能确定 【解析】　光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，指针自左向右的偏转角度变小，故B正确． 【答案】　B 6．用图314甲所示电路测量电流表的内阻，闭合电键S，当变阻器的滑片滑至c处时，电流表和电压表的读数分别为40 mA、9 V，已知图甲中热敏电阻的IU关系图线如图乙所示，则电流表的内阻为(　　) 【导学号：31310144】 甲　　　　　　　　乙 图314 A．0.14 Ω　　　　　 B．85 Ω C．140 Ω D．225 Ω 【解析】　当电流表读数为40 mA时，说明热敏电阻的电流为40 mA，由题图知热敏电阻两端电压UR＝5.6 V，则电流表两端电压U＝9 V－5.6 V＝3.4 V，由欧姆定律得RmA＝＝ Ω＝85 Ω，B正确． 【答案】　B 常见敏感电阻问题的处理方法 1．明确各敏感电阻的特性 明确这些敏感电阻随所处环境的温度、光照、磁场、压力等的变化而灵敏变化的情况，能从各自的特性曲线上了解或求得所需要的信息． 2．明确所考查电学实验的原理及方法，这是解题的关键． 3．将敏感电阻的特性与电学实验的原理方法相结合，运用所学的电学规律(如欧姆定律等)或力学规律(如牛顿运动定律等)解题．