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(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.了解傳感器的概念、結(jié)構(gòu)及各部分的作用．(難點(diǎn)) 2.通過實驗感知半導(dǎo)體熱敏電阻的特性．(重點(diǎn)) 3.了解干簧管的構(gòu)造及作用．(重點(diǎn)) 4.知道溫度與光傳感器常用的敏感元件及其在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用．(重點(diǎn)) 傳 感 器 [先填空] 2．敏感元件的原理 (1)根據(jù)感知原理分類 ①物理類：基于力、熱、光、電磁和聲等物理效應(yīng)． ②化學(xué)類：基于化學(xué)反應(yīng)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(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的控制開關(guān)，從而實現(xiàn)方便的顯示、記錄、處理和控制． (3)應(yīng)用實例： 半導(dǎo)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(guān)． [再判斷] (1)干簧管是一種磁傳感器．(√) (2)傳感器擔(dān)負(fù)著采集信息的任務(wù)．(√) (3)傳感器是力、溫度、光、聲、化學(xué)成分轉(zhuǎn)換為電信號的主要工具．(√) [后思考] 街旁的路燈，江海里的航標(biāo)都要求在夜晚亮，白天熄，利用半導(dǎo)體的電學(xué)特性可以制成自動點(diǎn)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(dǎo)體的什么性質(zhì)呢？ 【提示】　利用了半導(dǎo)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(dāng)干簧管的兩個鐵質(zhì)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(guān)． 探討2：舉例說明：不便于測量和控制的非電學(xué)量有哪些？便于測量和控制的電學(xué)量有哪些？ 【提示】　不便于測量和控制的非電學(xué)量主要有角度、位移、速度、壓力、溫度、聲強(qiáng)、光照等，便于測量和控制的電學(xué)量有電壓、電流等． [核心點(diǎn)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(dāng)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(yīng)(如熱敏、光敏、壓敏、力敏、濕敏等)制成的． ②轉(zhuǎn)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(guān)系的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子元件． ③轉(zhuǎn)換電路：是將轉(zhuǎn)換元件輸出的不易測量的電學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電學(xué)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(xué)量，如力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等，而輸出的通常是電學(xué)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(jīng)過放大后，再傳送給控制系統(tǒng)產(chǎn)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(zhì)分：輸出為開關(guān)量(“1”或“0”或“開”和“關(guān)”)的開關(guān)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)成分等非電學(xué)量，所以C錯． 【答案】　B 2．關(guān)于傳感器工作的一般流程，下列說法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：31310142】 A．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量→轉(zhuǎn)換元件 B．電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→非電學(xué)量 C．非電學(xué)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→轉(zhuǎn)換電路→電學(xué)量 D．非電學(xué)量→轉(zhuǎn)換電路→轉(zhuǎn)換元件→敏感元件→電學(xué)量 【答案】　C 3.傳感器可以進(jìn)行信息采集并把采集到的信息轉(zhuǎn)換為易于控制的量，其工作過程可能是(　　) A．將力學(xué)量(如形變量)轉(zhuǎn)換成磁學(xué)量 B．將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成熱學(xué)量 C．將光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量 D．將電學(xué)量轉(zhuǎn)換成力學(xué)量 【解析】　傳感器是指能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電學(xué)量或轉(zhuǎn)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(xué)量的優(yōu)點(diǎn) 電學(xué)量具有便于控制、放大、衰減、波形整理、顯示、可儲存、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)燃夹g(shù)方面的優(yōu)點(diǎn)，尤其是將電學(xué)量與計算機(jī)技術(shù)結(jié)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(shù)與自動控制中常將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量進(jìn)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(zhuǎn)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(guān)系 R＝R0(1＋θt)． (R0為t＝0 ℃時導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)及用途 熱敏電阻對溫度變化的響應(yīng)很敏感，常用于測溫、溫度控制或過熱保護(hù)． 2．光傳感器 (1)概念 光傳感器是利用光敏電阻把光強(qiáng)這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量，光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增大而減?。? (2)應(yīng)用：火災(zāi)報警器、光電式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速表 光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡會聚成平行光束照到被測旋轉(zhuǎn)物體上，被反光紙反射回來，再經(jīng)透鏡聚焦落到光敏二極管上，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)信號處理電路處理后，顯示出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為光信號．() (3)雙金屬片熱保護(hù)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(zhuǎn)化為電信息的？ 【提示】　當(dāng)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)在溫度升高時電阻值減?。? 探討2：醫(yī)院里給病人測體溫時，使用一種先進(jìn)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(diǎn)？ 【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(diǎn)： 第一：可以遠(yuǎn)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(jù)． [核心點(diǎn)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(zhuǎn)換成電信號的裝置 將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)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(dǎo)體材料制成，光越強(qiáng)，電阻越小 熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，NTC隨溫度升高，電阻減?。籔TC隨溫度升高，電阻增大 原理 電學(xué)性質(zhì)隨光照變化而變化 電學(xué)性質(zhì)隨溫度變化而變化 2.光敏電阻特性成因分析 當(dāng)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(dǎo)電性明顯地增強(qiáng)，電阻減?。? 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(fù)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(dǎo)學(xué)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(dǎo)體材料制成的 C．圖線1的材料化學(xué)穩(wěn)定性好、測溫范圍大、靈敏度高 D．圖線2的材料化學(xué)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(jù)它們的材料性質(zhì)和圖像特點(diǎn)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(guān)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(qiáng)度的增強(qiáng)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(zhuǎn)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(nèi)阻，閉合電鍵S，當(dāng)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(guān)系圖線如圖乙所示，則電流表的內(nèi)阻為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：31310144】 甲　　　　　　　　乙 圖314 A．0.14 Ω　　　　　 B．85 Ω C．140 Ω D．225 Ω 【解析】　當(dāng)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(xué)實驗的原理及方法，這是解題的關(guān)鍵． 3．將敏感電阻的特性與電學(xué)實驗的原理方法相結(jié)合，運(yùn)用所學(xué)的電學(xué)規(guī)律(如歐姆定律等)或力學(xué)規(guī)律(如牛頓運(yùn)動定律等)解題．