高中人教物理選擇性必修二5.2 常見傳感器的工作原理及應(yīng)用（教學(xué)設(shè)計(jì)）-同步備課

1、第5章傳感器第2節(jié)常見傳感器的工作原理及應(yīng)用本節(jié)課程主要研究了光敏電阻、熱敏電阻以及電阻應(yīng)變片的工作原理，及其在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，認(rèn)識到傳感器主要是用來完成一定的控制任務(wù)，通過對本節(jié)知識的學(xué)習(xí)學(xué)生可以嘗試使用常見的電子元器件，組裝實(shí)用的光控開關(guān)與溫度報(bào)警電路?！疚锢碛^念】了解不同傳感器的特征及工作原理【科學(xué)思維】知道傳感器是如何將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的物理過程，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維習(xí)慣。【科學(xué)探究】查閱資料，進(jìn)一步了解傳感器在生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用?！究茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任】在了解傳感器原理及應(yīng)用時(shí)，知道已學(xué)知識在生活、生產(chǎn)、科技社會中的價(jià)值，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)良好的科學(xué)態(tài)度【教學(xué)重點(diǎn)】了解光敏

2、電阻、熱敏電阻、電阻應(yīng)變片以及電容式傳感器的工作原理?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】知道不同傳感器在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用時(shí)所涉及的物理原理、相應(yīng)的定性分析及定量運(yùn)算?！疽胄抡n】問題：我們知道，傳感器可以感受光強(qiáng)、溫度、力、磁等非電學(xué)量，并把它們轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量輸出。那么，常見的傳感器是怎樣感知非電學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的呢？利用不同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應(yīng)用呢？ 那么什么是非電學(xué)量呢？比如說：光強(qiáng)、溫度、力、位移、速度、磁場等什么又是電學(xué)量呢？比如說：電阻、電流、電壓。二、【進(jìn)行新課】探究點(diǎn)一、光敏電阻光學(xué)傳感器1、什么是光敏電阻：隨著光照強(qiáng)度的變化，電阻率在發(fā)生相應(yīng)變化的物質(zhì)。把硫化

3、鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個(gè)互不相連的梳狀電極，就形成一個(gè)簡單的光敏電阻。2、實(shí) 驗(yàn)一、觀察光敏電阻特性1）實(shí)驗(yàn)原理光敏電阻的阻值會隨著光照強(qiáng)度的增加而不斷減小，用歐姆表連接電阻，用不同強(qiáng)度的光照射電阻，通過觀察歐姆表的示數(shù)變化，來研究光敏電阻與光強(qiáng)的關(guān)系。2）實(shí)驗(yàn)器材光敏電阻、多用電表、導(dǎo)線、電源。3）實(shí)驗(yàn)步驟（1)將光敏電阻、多用電表、按圖甲的方式連接好，其中多用電表置于“100”擋；（2)先測出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)；（3)用手掌(或黑紙)遮光時(shí)，觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。（4）用強(qiáng)光照射（如太陽光直接照射或拿亮度較大的手電筒、

4、小燈泡等）觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。4）數(shù)據(jù)處理根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。5）實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1)光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，隨著光強(qiáng)的變化阻值不斷減小，強(qiáng)光照射下電阻值很??；(2)光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。思考：為什么光敏電阻的阻值會隨光強(qiáng)的變化而變化呢？硫化鎘是一種半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能差；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。3、光敏電阻在生產(chǎn)中的應(yīng)用光電計(jì)數(shù)器其中A是發(fā)光儀器，B是接收光信號的儀器，B中的主要元件是由光敏電阻組成的光電傳感器。當(dāng)傳送帶上沒有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值較小，供給信號

5、處理系統(tǒng)的電壓變低；當(dāng)傳送帶上有物品擋住由A射向B的光信號時(shí)，光敏電阻的阻值變大，供給信號處理系統(tǒng)的電壓變高。這種高低交替變化的信號經(jīng)過處理，就會轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)自動計(jì)數(shù)的功能 光電計(jì)數(shù)的基本原理探究點(diǎn)二、 金屬熱電阻和熱敏電阻溫度傳感器4、金屬熱電阻與熱敏電阻的區(qū)別金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。常用的一種熱電阻是用鉑制作的，可用來做電阻溫度計(jì)。 電阻隨溫度的變化關(guān)系熱敏電阻：有些半導(dǎo)體在溫度上升時(shí)導(dǎo)電能力增強(qiáng)，因此可以用半導(dǎo)體材料制作熱敏電阻。有一種熱敏電阻是用氧化錳等金屬氧化物燒結(jié)而成的，它的電阻隨溫度的變化非常明顯。電阻隨溫度的

6、變化關(guān)系說明：與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。5、實(shí)驗(yàn)二、觀察熱敏電阻特性方案1：（簡易實(shí)驗(yàn)）將多用電表的選擇開關(guān)調(diào)到電阻擋（注意選擇適當(dāng)?shù)谋堵剩?，將一只熱敏電阻連接到多用電表表筆的兩端。分別用手和冷水改變熱敏電阻的溫度，觀察電阻的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著溫度的變化，熱敏電阻的阻值在減小。方案21實(shí)驗(yàn)原理熱敏電阻的電阻率會隨著溫度的升高而變化，2實(shí)驗(yàn)器材半導(dǎo)體熱敏電阻、多用電表、溫度計(jì)、鐵架臺、燒杯、涼水和熱水。3實(shí)驗(yàn)步驟(1)按實(shí)驗(yàn)原理圖甲連接好電路，將熱敏電阻絕緣處理；當(dāng)燒杯中水溫發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的阻值將發(fā)生相應(yīng)變化。(2)把多用電表置于歐姆擋，并選

7、擇適當(dāng)?shù)牧砍虦y出燒杯中沒有水時(shí)熱敏電阻的阻值，并記下溫度計(jì)的示數(shù)；(3)向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測量的熱敏電阻的阻值；(4)將熱水分幾次注入燒杯中，測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄。4數(shù)據(jù)處理在如圖坐標(biāo)系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。5實(shí)驗(yàn)結(jié)論熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大。6注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，加熱水后要等一會兒再測熱敏電阻阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時(shí)讀出水溫。6、熱敏電阻的應(yīng)用一些汽車的低油位報(bào)警裝置采用熱敏電阻來檢測油箱的警戒液位。若給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會發(fā)熱。當(dāng)液面高于熱敏電

8、阻的高度時(shí)，熱敏電阻發(fā)出的熱量會被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮（圖甲）。當(dāng)液體減少、熱敏電阻露出液面時(shí)，發(fā)熱導(dǎo)致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮（圖乙）。通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。 液位報(bào)警示意圖探究點(diǎn)三、 電阻應(yīng)變片力傳感器7、電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片是一種使用非常廣泛的力敏元件，電阻與導(dǎo)體的材料、長度和橫截面積有關(guān)。當(dāng)金屬絲受到拉力時(shí)，長度變長、橫截面積變小，導(dǎo)致電阻變大；當(dāng)金屬絲受到壓力時(shí)，長度變短、橫截面積變大，導(dǎo)致電阻變小。金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變（伸長或縮短）時(shí)，其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的

9、電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬電阻應(yīng)變片就是利用這一原理制成的。 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的功能：能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。8、力傳感器的應(yīng)用及工作原理 彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個(gè)應(yīng)變片。在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面應(yīng)變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的電阻變化就越大。如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上表面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下表面應(yīng)變片兩端的電壓變小。傳感器把這兩個(gè)電壓的差值輸出。力F越大，輸出的電壓差值也就越大。 應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變片測力原理 汽車稱重的地磅探究點(diǎn)四、 電容式傳感器

10、9、電容式傳感器定義及特點(diǎn)1、定義：電容傳感器是指將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。 電容器是由兩塊金屬電極之間夾一層絕緣電介質(zhì)構(gòu)成。當(dāng)在兩金屬電極間加上電壓時(shí),電極上就會存儲電荷,所以電容器是儲能元件。2.特點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡單;動作時(shí)需要能量低,由于帶電極板間靜電吸引力很小因此電容傳感器特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題。10、電容式傳感器的工作原理電容器的電容 C 決定于極板的正對面積 S、極板間的距離 d 以及極板間的電介質(zhì)這三個(gè)因素。如果某個(gè)物理量的變化能引起上述某個(gè)因素的變化，從而引起電容的變化，那么，通過測定電容器的電容就可以確定這個(gè)物理量的變化，由此可以

11、制成電容式傳感器。11、電容式傳感器的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用：面積型可用來測量位移（較大位移），極距型傳感器可用來測量微小位移，介質(zhì)型傳感器可用來鑒別材質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：電容位移傳感器能實(shí)現(xiàn)無接觸測量。它采用合適的檢測電路，做到靈敏度高、分辨力強(qiáng)、能分辨微小的位移。還有信噪比大，靈敏度高，零漂小，頻響寬，非線性小，精度穩(wěn)定性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)和使用操作方便。缺點(diǎn)：電容位移傳感器的量程比較小，一般只有幾十個(gè)毫米，容易受外界干擾和分布參數(shù)的影響 電容傳感器【拓展學(xué)習(xí)】12、霍爾元件霍爾元件的應(yīng)用及原理1測量磁場的大小 半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)要強(qiáng)于導(dǎo)體。在一個(gè)很小的矩形半導(dǎo)體（如砷化銦）薄片上，制作四個(gè)電極E、F、M

12、、N，它就成了一個(gè)霍爾元件（右圖下）。在E、F 間通入恒定的電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，則在M、N 間可出現(xiàn)霍爾電壓UH。通過分析可知，霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有線性關(guān)系，因此利用霍爾元件可以測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向?；魻栐軌虬汛鸥袘?yīng)強(qiáng)度這個(gè)磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。 霍爾效應(yīng) 霍爾原件的工作原理霍爾元件的應(yīng)用及原理2測量微小位移在兩塊磁感應(yīng)強(qiáng)度相同、同極相對放置的磁體縫隙中放入霍爾元件，當(dāng)霍爾元件處于中間位置時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0，霍爾電壓UH為0，可將該點(diǎn)作為位移的零點(diǎn)。當(dāng)霍爾元件沿著z方向移動時(shí)，則有霍爾電壓輸出，且電壓大小與位移大小成正比，從而能夠?qū)崿F(xiàn)微小

13、位移的測量。 利用霍爾元件測量微小位移課堂重點(diǎn)知識小結(jié)什么是光敏電阻；光學(xué)傳感器 2.實(shí) 驗(yàn)一、觀察光敏電阻特性； 3.光敏電阻在生產(chǎn)中的應(yīng)用光電計(jì)數(shù)器； 4 .金屬熱電阻與熱敏電阻的區(qū)別；溫度傳感器 5.實(shí)驗(yàn)二、觀察熱敏電阻特性; 6、熱敏電阻的應(yīng)用; 7.電阻應(yīng)變片的工作原理力傳感器 8.力傳感器的應(yīng)用及工作原理 9.電容式傳感器定義及特點(diǎn) 電容感器 10.電容式傳感器的工作原理 11.電容式傳感器的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)隨堂練習(xí)例1、(多選)利用光敏電阻制作的光傳感器,記錄了傳送帶上工件的輸送情況。如圖甲所示為某工廠成品包裝車間的光傳感記錄器,光傳感器B能接收到發(fā)光元件A發(fā)出的光,每當(dāng)工件擋住A發(fā)

14、出的光時(shí),光傳感器就輸出一個(gè)電信號,并在屏幕上顯示出電信號與時(shí)間的關(guān)系,如圖乙所示。若傳送帶始終勻速運(yùn)動,每兩個(gè)工件間的距離為0.2 m,則下述說法正確的是( ) A.傳送帶運(yùn)動的速度是0.1 m/sB.傳送帶運(yùn)動的速度是0.2 m/sC.該傳送帶每小時(shí)輸送3 600個(gè)工件D.該傳送帶每小時(shí)輸送7 200個(gè)工件【答案】：BC【解析】：根據(jù)題意并結(jié)合題圖可知,工件1 s內(nèi)的位移為0.2 m,則傳送帶運(yùn)動的速度v=0.2/1= 0.2 m/s,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確。傳送帶每小時(shí)輸送的工件個(gè)數(shù) = 3600(個(gè)),選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。例2、傳感器是把非電學(xué)量(如速度、溫度、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的

15、變化的一種元件，在自動控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。有一種測量人的體重的電子秤，其測量部分的原理圖如圖中的虛線框所示，它主要由壓力傳感器R(電阻值會隨所受壓力大小發(fā)生變化的可變電阻)和顯示體重大小的儀表 (實(shí)質(zhì)是理想電流表)組成。壓力傳感器表面能承受的最大壓強(qiáng)為1107 Pa，且已知壓力傳感器的電阻R與所受壓力的關(guān)系如表所示。設(shè)踏板和壓桿的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，接通電源后，壓力傳感器兩端的電壓恒為4.8 V，g取10 m/s2。請作答：(1)該秤零點(diǎn)(即踏板空載時(shí))的刻度線應(yīng)標(biāo)在電流表刻度盤 A處。(2)如果某人站在該秤踏板上，電流表刻度盤的示數(shù)為20 mA，這個(gè)人的質(zhì)量是 kg?！敬鸢浮浚?1)1.

16、6102(2)50【解析】：(1)由題表格知，踏板空載時(shí)，壓力傳感器的電阻R300 ，此時(shí)電流表中電流Ieq f(U,R)eq f(4.8,300) A1.6102 A。(2)當(dāng)電流I20 mA2102 A時(shí)，壓力傳感器的電阻Req f(U,I)eq f(4.8,2102) 240 ，由表格可知，這個(gè)人受到的重力為500 N，此人質(zhì)量為50 kg。例3、(多選)電動自行車是一種使用廣泛的交通工具,其速度控制是通過轉(zhuǎn)動右把手實(shí)現(xiàn)的,這種轉(zhuǎn)動把手稱為“霍爾轉(zhuǎn)把”,屬于傳感器非接觸控制。轉(zhuǎn)把內(nèi)部有永久磁鐵和霍爾器件等,截面如圖甲。永久磁鐵的左、右兩側(cè)分別為N、S極,開啟電源時(shí),在霍爾器件的上、下面之間加一定的電壓,形成電流,如圖乙。隨著轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動,其內(nèi)部的永久磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動,霍爾器件能輸出控制車速的霍爾電壓,已知電壓與車速的關(guān)系如圖丙。下列關(guān)于“霍爾轉(zhuǎn)把”的說法正確的是（） 甲 乙 丙A.為提高控制的靈敏度,應(yīng)使永久磁鐵的上、下端分別為N、S極。B.按圖甲順時(shí)針轉(zhuǎn)動電動車的右把手(手柄轉(zhuǎn)套),車速將變快。C.圖乙中從霍爾器件的前、后面輸出控制車速的霍爾電壓。D.若霍爾器件的上、下面之間所加電壓正、負(fù)極性對調(diào),將影響車速控制。