5.15.2认识传感器常见传感器的工作原理及应用课件高二下学期物理人教版选择性

第五章传感器1.认识传感器2.常见传感器的工作原理及应用教学目标CONTENT010203了解常见传感器的应用认识光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻和电阻应变片的特性了解传感器的定义、种类、组成与应用模式新课引入如图所示，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关。如果把磁体B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭。盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象?原来，小盒子中有一种叫作“干簧管”的元件，它的结构很简单，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。干簧管是一种能够感知磁场的传感器。那么，到底什么是传感器？神奇的传感器一“声控—光控”开关晚上，当我们进入黑洞洞的楼道时，一跺脚，楼道灯自动开启，但是这种情况在白天却不会发生。这是因为楼道的灯安装了“声控—光控”开关。这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一个数值，同时声强高于某一数值时，声控—光控开关才会接通，灯才会亮。知能提升红外线传感器一些宾馆安装了自动门，当人走近时，门会自动打开；当人离开时，门会自动关闭。原来，有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出开关启动的命令。这种装置就是红外线传感器。红外线传感器乙醇传感器交通警察在检查司机是否酒后开车时，会让司机对着“便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度。这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”，它能感知乙醇的浓度。传感器的定义传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断。非电学量转换为电学量的意义把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。传感器的工作原理传感器的种类二知能提升1.物理传感器利用物质的物理特性或物理效应制作而成，如力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器。利用压力传感器制成的电子秤2.化学传感器利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号，如离子传感器、气体传感器等化学传感器。利用电化学气体传感器制成的可燃气体报警器3.生物传感器利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等生物传感器。利用葡萄糖生物传感器制成的血糖仪4.其他分类方式（1）根据被测量的不同分类，可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器；（2）根据具体工作原理的不同，可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。利用温度传感器制成的电子体温计5.智能手机中的部分传感器大多数传感器是以物理原理为基础制作的。这类传感器种类最多，应用领域也最广泛。例如，一部普通的手机中就安装有十几种传感器。传感器的组成与应用模式三知能提升1.传感器的组成（1）传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。（2）敏感元件是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分；转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。（3）如果敏感元件直接输出的是电学量，它就同时兼为转换元件。例如，热电偶、压电晶体都是这种敏感元件和转换元件二者合一的传感器。热电偶温度计2.信号调整与转换电路被测非电学量信号经敏感元件和转换元件作用后，所输出的电信号一般都比较弱，难以带动执行机构去实现控制动作，因此要通过信号调整与转换电路把这个电信号放大。如果需要远距离传送，还要把它转换成其他电信号以抵御外界干扰。3.传感器的应用模式可以用指针式电表或数字屏等显示测量的数据；也可以用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门、开通或关闭电动机等动作；还可以用计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。概括起来，传感器应用的一般模式如图所示。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?光敏电阻四知能提升1.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。一般随着光照强度的增大电阻值减小。

光敏电阻2.材料制作光敏电阻的材料一般为半导体。如：硫化镉。实验：观察光敏电阻特性3.半导体的导电原理半导体靠其中的载流子（自由电子和空穴）来导电。4.光敏电阻特性形成原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，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，即载流子增多，导电性变好。5.光敏电阻的作用光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。光敏电阻是光电传感器中常见的光敏元件。6.光敏电阻的应用在产品生产的流水线上，常需要对产品计数。如图是利用光敏电阻自动计数的示意图，其中A是发光仪器，B是接收光信号的仪器，B中的主要元件是由光敏电阻组成的光电传感器。当传送带上没有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值较小，供给信号处理系统的电压变低；当传送带上有物品挡住由A射向B的光信号时，光敏电阻的阻值变大，供给信号处理系统的电压变高。这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。光电计数的基本原理观察与思考：热敏电阻金属热电阻温度计金属热电阻和热敏电阻五知能提升1.金属热电阻

（1）材料：金属热电阻是用金属做成的。（2）特性：金属热电阻的阻值会随着温度的升高而增大，具有正温度系数。（3）作用：金属热电阻能够把温度这个热学量转换成为电阻这个电学量。ORT金属热电阻的电阻随温度的变化关系2.热敏电阻（1）材料：半导体。（2）特性：热敏电阻的阻值会随着温度的升高而减小，具有负温度系数。（3）作用：热敏电阻能够把温度这个热学量转换成为电阻这个电学量。热敏电阻的电阻随温度的变化关系ORT3.金属热电阻和热敏电阻的应用如图所示，一些汽车的低油位报警器采用热敏电阻来检测油箱的警戒油位。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，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮。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，指示灯亮。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。液位报警示意图甲乙1.电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。2.电阻应变片金属电阻应变片就是利用电阻应变效应原理制成的。电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换成为电阻这个电学量。电阻应变片电阻应变片六知能提升3.力传感器的应用——电子秤我们经常见到的电子秤，它所使用的测力器件是力传感器。（1）组成：由金属梁和电阻应变片组成。（2）敏感元件：电阻应变片。（3）结构：如图所示，称为应变式力传感器。应变片测力原理（4）原理：如图所示，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大。4.力传感器的其他应用力传感器除了测量重力外（如图所示），应变式力传感器也用来测量其他各种力，如汽车和卷扬机的牵引力等。力传感器的应用如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。电容式位移传感器示意图电容式位移传感器拓展学习：电容器极板x电介质板被测物体拓展学习：霍尔效应在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这个现象称为霍尔效应。由于霍尔效应使导体内所产生的电势差称为霍尔电势差，也称霍尔电压。霍尔元件在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件。在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则在M、N

间可出现霍尔电压UH。通过分析可知，霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系,因此利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。因此霍尔元件又称磁敏元件。

典例精析例1.

如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(

)A．R1两端的电压增大

B．电流表的示数增大C．小灯泡的亮度变强

D．小灯泡的亮度变弱解析：R2与灯L并联后与R1串联，与电源构成闭合电路，当热敏电阻温度降低时，电阻R2增大，外电路电阻增大，电流表读数减小，灯L两端电压增大，灯泡亮度变强，R1两端电压减小，故选项C正确。C例2.（多选）如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是(

)A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次解析：当有光照射R1时，R1电阻减小，由串联分压可知信号处理系统获得低电压，B对；当工件经过时，光被工件挡住，计时器就计数一次，此时信号处理系统获得高电压，即信号处理系统每获得一次高电压就计数一次，D对，故选BD。BDAR1R2信号处理系统课堂小结一、神奇的传感器二、传感器的种类三、传感器的组成和应用模式四、光敏电阻五、金属热电阻和热敏电阻六、电阻应变片跟踪练习1.有一些星级宾馆的洗手间装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作，是因为(

)A．改变湿度 B．改变温度C．改变磁场 D．改变电容解析：人是一种导体，可以与其他导体构成电容器．手靠近时改变了电容大小.D2.如图所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电阻，当照射光强度增大时(

)A．电压表的示数增大B．R2中电流减小C．小灯泡的功率增大D．电路的路端电压增大解析：R3阻值减小，R1两端电压因干路电流增大而增大(电压表的示数增大)，同时内电压增大，故电路路端电压减小，A项正确，D项错误.由路端电压减小，而R1两端电压增大知，R2两端电压必减小，则R2中电流减小，故B项正确.结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大.ABC待测压力F固定电极膜片电极3.传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么（）A．当F向上压膜片电极时，电容将减小B．当F向上压膜片电极时，电容将增大C．若电流计有示数，则压