第2课常见传感器的工作原理及应用【知识精讲+备课精研】 高二物理 （人教版2019选择性必修第二册）

5.2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 你见过自动门吗？讨论一下它的原理你见过自动门吗？讨论一下它的原理自自动动干干手手机机自自动动水水龙龙头头我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。那么，常见的传感把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？把把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极。1.1.光敏电阻的制作光敏电阻的制作硫化镉硫化镉光光强强电阻率电阻率小小光弱光弱电阻率电阻率大大光敏电阻光敏电阻2.2.光敏电阻的特性与原理光敏电阻的特性与原理实 验观察光敏电阻特性【实验原理实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照，用不同强度的光照射电阻，射电阻，通过观察欧姆表的示数变化通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电，来研究光敏电阻与光强的关系。阻与光强的关系。【实验实验器材器材】光敏电阻光敏电阻、多用电表、导线、电源。、多用电表、导线、电源。【实验步骤实验步骤】（1)1)将光敏电阻、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于将光敏电阻、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于“100”“100”挡；挡；（2)2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据；（3 3)用手掌用手掌(或黑纸或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。（4 4）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）观察多用电观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。【数据处理数据处理】根据记录数据分析光敏电阻的特性。根据记录数据分析光敏电阻的特性。环境1234567阻值（）光敏电阻实物图光敏电阻实物图光照情况光照情况受光表面暴露受光表面暴露受光表面遮住受光表面遮住电阻阻值电阻阻值电阻小电阻小电阻大电阻大光学量光学量电阻电阻一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻特性：特性：光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的一般会随着光照强度的增大增大而电阻值而电阻值减小减小。一、光敏电阻一、光敏电阻空穴空穴自由电子自由电子SiSiSiSiSiSiSiSiSi 温度提高，一些电子挣脱原子核的束缚温度提高，一些电子挣脱原子核的束缚变为自由电子。变为自由电子。为什么半导体材料对温度更敏感？而电子原来的位置就变为空穴，这些空而电子原来的位置就变为空穴，这些空穴相当于带正电荷的粒子穴相当于带正电荷的粒子 一旦半导体接进电路，形成电场，自由一旦半导体接进电路，形成电场，自由电子沿着空穴前进，相当于正负电荷都在移电子沿着空穴前进，相当于正负电荷都在移动形成电流动形成电流 温度越高，挣脱的自由电子就越多，导温度越高，挣脱的自由电子就越多，导电能力越强。电能力越强。E E一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻工作原理：光敏电阻工作原理：光照增强光照增强半导体材料中的载流子（自由电半导体材料中的载流子（自由电子和空穴）浓度增加子和空穴）浓度增加材料的电阻率减小材料的电阻率减小你挡住电梯门时，为什么门就自动打开，松手后又自动关闭？一般随着光照强度的增大电阻值一般随着光照强度的增大电阻值_。减小减小1.特性：特性：光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。光照强弱光照强弱电阻电阻2.材料：材料：制作光敏电阻的材料一般为制作光敏电阻的材料一般为_。如：硫化镉。如：硫化镉半导体半导体3.半导体的导电原理：半导体的导电原理：半导体靠其中的半导体靠其中的_（自由电子和空穴）来导电。（自由电子和空穴）来导电。载流子载流子4.光敏电阻能够把光敏电阻能够把_这个这个光学量光学量转换为转换为_这个电学量。这个电学量。巩固练习巩固练习3.3.光敏电阻的应用光敏电阻的应用计数器计数器A A是发光仪器是发光仪器B B是接收光信号的仪器是接收光信号的仪器无物品无物品、有有光照光照、电阻小、电压低、电阻小、电压低有物品、挡光、电阻大、电压高有物品、挡光、电阻大、电压高 这种这种高低交替变化的信号高低交替变化的信号经过处理，就会经过处理，就会转化为相应的数字转化为相应的数字，实现，实现自自动计数的功能。动计数的功能。观看视频，神奇的机器工人观看视频，神奇的机器工人【例例题题1 1】如如图图所所示示，R R1 1、R R2 2为为定定值值电电阻阻，L L为为小小灯灯泡泡，R R3 3为为光光敏敏电电阻阻，当当照照射光强度增大时射光强度增大时()A.A.电压表电压表的示数增大的示数增大 B.R B.R2 2中电流减小中电流减小 C.C.小小灯泡的功率增大灯泡的功率增大 D.D.电路电路的路端电压的路端电压增大增大ABABC C解析：解析：当当光强度增大时，光强度增大时，R R3 3阻值减小，外电路电阻随阻值减小，外电路电阻随R R3 3的减小而减小，干的减小而减小，干路电流路电流增大，增大，R R1 1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A A项正确，项正确，D D项错误；由路端项错误；由路端电压减小，而电压减小，而R R1 1两端电压增大知，两端电压增大知，R R2 2两端电压必减小，则两端电压必减小，则R R2 2中电流减小，中电流减小，故故B B项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率的功率增大，增大，C C项项正确。正确。光敏电阻光敏电阻光照光照放放大大器器MN N被控被控电路电路光控继电器光控继电器的工作的工作原理原理是是:当照射光敏电阻时当照射光敏电阻时,(1)光敏电阻的阻值光敏电阻的阻值(变大或变小变大或变小)；(2)被控电路被控电路(填填“接通接通”或或“断开断开”)。光控设备光控设备电源电源变小变小接通接通课堂练习课堂练习金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻铂电阻铂电阻电阻电阻温度特性曲线温度特性曲线RTo规规律：律：电阻随温度的升高而增大。电阻随温度的升高而增大。优缺点：优缺点：热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差，测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。二、金属热电阻二、金属热电阻常用的一种热电阻是用常用的一种热电阻是用铂制铂制作作的，可用来做的，可用来做 电阻温度计电阻温度计。二、金属热电阻二、金属热电阻金属热电阻的应用：金属热电阻的应用：如图所示，一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警如图所示，一些汽车的低油位报警装置采用热敏电阻来检测油箱的警戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。戒液位。若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，当液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮（图甲）。（图甲）。当液体减少、热敏电阻露出液面时，当液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮（图乙）。示灯亮（图乙）。通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。观察热敏电阻特性观察热敏电阻特性将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然将多用电表的选择开关调到电阻挡（注意选择适当的倍率），然后仿照图所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。后仿照图所示的方法，将一只热敏电阻连接到多用电表表笔的两端。分别用手和冷水改变热敏电阻分别用手和冷水改变热敏电阻的温度，观察电阻的变的温度，观察电阻的变化情况。化情况。三、热敏电阻三、热敏电阻实验现象实验现象热敏电阻放温水后，热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大，电流表读数明显增大，温度升高，热敏电阻的温度升高，热敏电阻的阻值显阻值显 著减小。著减小。实验结论实验结论1.1.1.1.热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻特性：特性：热敏电阻的阻值会随着温度的热敏电阻的阻值会随着温度的升高升高而而_，具有负温度系数，具有负温度系数减小减小RTo电阻电阻温度特性曲线温度特性曲线三、热敏电阻三、热敏电阻2、金属热电阻和热敏电阻、金属热电阻和热敏电阻（1）金属热电阻：）金属热电阻：规律：规律：电阻随温度的升高而增大。电阻随温度的升高而增大。（2）热敏电阻：）热敏电阻：规律：规律：电阻随温度的升高而减小。电阻随温度的升高而减小。温度温度电阻电阻三、热敏电阻三、热敏电阻电阻随温度的变化关系电阻随温度的变化关系3.3.应用实例应用实例低油位报警装置低油位报警装置 当当液面液面高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的高于热敏电阻的高度时，热敏电阻发出的热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示热量会被液体带走，温度基本不变，阻值较大，指示灯不灯不亮。亮。给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。当当液体减少液体减少、热敏电阻露出液面时，发热导致它、热敏电阻露出液面时，发热导致它的温度上升、阻值较小，指示灯亮的温度上升、阻值较小，指示灯亮。通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面通过判断热敏电阻的阻值变化，就可以知道液面是否低于是否低于设定值设定值。液位报警示意图液位报警示意图油位高电阻大灯不亮油位低电阻小灯亮【例题例题2 2】关于传感器，下列说法正确的是（）关于传感器，下列说法正确的是（）A.A.金属材料金属材料不可以制成传感器不可以制成传感器B.B.光敏电阻光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的和热敏电阻都是由半导体材料制成的C.C.传感器传感器主要是通过感知电阻的变化来传递信号的主要是通过感知电阻的变化来传递信号的D.D.以上以上说法都不正确说法都不正确 传传感感器器材材料料分分半半导导体体材材料料、陶陶瓷瓷材材料料、金金属属材材料料和和有有机机材材料料，故故A A错错误误；光光敏敏电电阻阻和和热热敏敏电电阻阻都都是是由由半半导导体体材材料料制制成成的的，故故B B正正确确，D D错错误误；传传感感器器一一定定是是通通过过非非电电学学量量转转换换成成电电学学量量来来传传递递信信号号的的，不不一一定定是是通通过过感感知知电电阻阻的变化来传递信号的，故的变化来传递信号的，故C C错误。错误。B B解析：解析：（1）热敏电阻热敏电阻与与金属热电阻金属热电阻的的阻值阻值与与温度温度的变化关系是否相同？的变化关系是否相同？不相同不相同金属热电阻金属热电阻的的阻值阻值随温度升高而随温度升高而_。热敏电阻热敏电阻的的阻值阻值随温度升高而随温度升高而_。减小减小增加增加热敏电阻和金属热电阻热敏电阻和金属热电阻（2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？热敏电阻热敏电阻灵敏度高灵敏度