高中物理-選擇性必修2-第五章-2-常見傳感器的工作原理及應用

高中物理選擇性必修第二冊

人教版2常見傳感器的工作原理及應用1.知道光敏電阻的工作原理及其在生產(chǎn)、生活中的應用。2.知道金屬熱電阻和熱敏電阻的工作原理及其在生產(chǎn)、生活中的應用。3.知道電阻應變片的工作原理以及簡單應用。4.知道霍爾元件及其工作原理。特點光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化。光照增強時,電阻①

減小

;光照減弱時,電阻②

增大

原理制作光敏電阻的硫化鎘是一種③

半導體

材料,無光照時,載流子極少,導電性能④

差

;隨著光照的增強,載流子增多,導電性能⑤

變好

作用將⑥

光照

強弱這個光學量轉換為⑦

電阻

這個電學量1|光敏電阻

氧化錳熱敏電阻金屬熱電阻特點電阻率隨溫度的升高而⑧

減小

電阻率隨溫度的升高而⑨

增大

制作材料金屬氧化物金屬導體優(yōu)點靈敏度好化學穩(wěn)定性好,測溫范圍大作用將⑩

溫度

這個熱學量轉換為

電阻

這個電學量2|金屬熱電阻和熱敏電阻1.組成:由金屬梁和

應變片

組成。2.敏感元件:

應變片

。3.工作原理:如圖所示,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

應變片

,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

,上表面應變片的電阻

變大

,下表面應變片的電阻

變小

。力F越大,彎曲形變越大,應變片的阻值變化就越大。如果讓應變片中通過的電流保持

恒定,那么上表面應變片兩端的電壓

變大

,下表面應變片兩端的電壓變小

。傳感器把這兩個電壓的

差值

輸出。力F越大,輸出的

電壓差值

也就越大。由

電壓差值

的大小,即可得到外力F的大小。3|電阻應變片4.作用:應變片將

物體形變

這個力學量轉換為

電阻

這個電學量。1.構造:在一個很小的矩形半導體薄片上,制作四個電極E、F、M、N,它就成了一

個霍爾元件。2.工作原理:如圖,E、F間通入恒定電流I,同時外加與薄片垂直的磁感應強度為B的磁場,則M、N間出現(xiàn)霍爾電壓UH。分析可知,霍爾電壓UH與磁感應強度B有線性關系,因此霍爾元件能夠把

磁感應強度

這個磁學量轉換為

電壓

這個電學量。4|霍爾元件知識拓展設載流子的電荷量為q,沿電流方向定向運動的平均速率為v,單位體積

內自由移動的載流子數(shù)為n,霍爾元件厚度為d,垂直電流方向的橫向寬度為a,則電流的微觀表達式為I=nqadv①;載流子在磁場中受到的洛倫茲力F洛=qvB,載流子在

洛倫茲力作用下側移,霍爾元件兩個側面出現(xiàn)電勢差,載流子受到的電場力為F電=q

。當達到穩(wěn)定狀態(tài)時,洛倫茲力與電場力平衡,即qvB=q

②,由①②聯(lián)立得UH=

③。對于確定的霍爾元件,nq是常數(shù),令k=

,則③式可寫為UH=k

。1.熱敏電阻和金屬熱電阻都是用半導體材料制成的,當溫度升高時,它們的導電能

力都明顯增強。

(

?)2.所有傳感器都是由半導體材料制成的。

(

?)3.用鉑制作的熱電阻可用來做電阻溫度計。(√)4.電子秤使用的是壓力傳感器。

(√)5.電子秤中應變式力傳感器輸出的是應變片上的電壓,外力越大,輸出的電壓也越

大。

(

?)判斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“?”。1|常見傳感器的特點情境

如圖甲所示,家用電熱滅蚊器中應用了溫度傳感器,它的主要元件是PTC,

PTC是由鈦酸鋇等半導體陶瓷發(fā)熱材料制成的電阻器,它有一個根據(jù)需要設定的

溫度,低于這個溫度時,其電阻隨溫度的升高而減小,高于這個溫度時,其電阻隨溫度

的升高而增大,我們把這個設定的溫度叫作“居里溫度”。某家用電熱滅蚊器中

PTC元件的電阻率ρ隨溫度變化的關系如圖乙所示。問題1.根據(jù)圖乙所示,該PTC元件的居里溫度為多少?提示:T1。根據(jù)圖像可知,溫度低于T1時,其電阻率隨溫度的升高而減小,溫度高于T1

時,其電阻率隨溫度的升高而增大,所以該PTC元件的居里溫度為T1。2.通電后,該PTC元件的電功率先增大后減小還是先減小后增大?提示:先增大后減小。通電后PTC元件的溫度逐漸升高,由圖像可知,其電阻率先變

小后變大,由電阻定律R=ρ

可知,其電阻先變小后變大;電源電壓U不變,由P=

可知,該PTC元件的電功率先增大后變小。器件類型敏感元件轉換類型相關問題光電傳感器光敏電阻光照強弱→電阻直流電路動態(tài)分析問題溫度傳感器熱敏電阻溫度→電阻直流電路動態(tài)分析問題金屬熱電阻溫度→電阻力傳感器應變片物體形變→電阻力學、運動學與直流電路結合問題電容式傳感器電容器力、位移等→電容力、運動與含容電路結合問題磁傳感器霍爾元件等磁感應強度→電壓帶電粒子在復合場中的運動問題常見傳感器的特點2|常見電容式傳感器原理及分析

傳感器原理測定角度θ的電容式傳感器

當動片與定片之間的角度θ發(fā)生變化時,會引起極板正對面積S的變化,這就使電容C發(fā)生了變化。知道C的變化情況,就可以知道θ的變化情況測定液面高度h的電容式傳感器

在導線芯的外面涂上一層絕緣物質,放入導電液體中,導線芯和導電液體構成電容器的兩個電極,導線芯外面的絕緣物質就是電介質,液面高度h發(fā)生變化時,引起正對面積發(fā)生變化,使電容C發(fā)生變化。知道C的變化情況,就可以知道h的變化情況測定壓力F的電容式傳感器

待測壓力F作用于可動膜片電極上的時候,膜片發(fā)生形變,使極

板間距離d發(fā)生變化,從而引起電容C的變化。知道C的變化情

況,就可以知道F的變化情況測定位移x的電容式傳感器

隨著電介質進入極板間的長度發(fā)生變化,電容C發(fā)生變化。知

道C的變化情況,就可以知道x的變化情況導師點睛電