5.2常见传感器的工作原理及应用（共57张ppt）物理人教版（2019）选择性必修第二册

(共57张PPT)
§5.2 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
自动干手机
自动水龙头
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？
把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。
1.光敏电阻的制作
硫化镉
光强——电阻率小
光弱——电阻率大
光敏电阻
2.光敏电阻的特性与原理
实 验
观察光敏电阻特性
【实验原理】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，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。
【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。
【实验步骤】
（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“×100”挡；
（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；
（3)用手掌(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。
（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）观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。
【数据处理】根据记录数据分析光敏电阻的特性。
环境 1 2 3 4 5 6 7
阻值（）
光敏电阻实物图
光照情况 受光表面暴露 受光表面遮住
电阻阻值
电阻小
电阻大
光学量
→
电阻
一、光敏电阻
光敏电阻
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。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。
一、光敏电阻
空穴
自由电子
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
温度提高，一些电子挣脱原子核的束缚变为自由电子。
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，自由电子沿着空穴前进，相当于正负电荷都在移动形成电流
温度越高，挣脱的自由电子就越多，导电能力越强。
E
一、光敏电阻
光敏电阻工作原理：
光照增强 半导体材料中的载流子（自由电
子和空穴）浓度增加 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_______。
减小
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。
光照强弱
电阻
2.材料：制作光敏电阻的材料一般为 _______。如：硫化镉
半导体
3.半导体的导电原理：半导体靠其中的________（自由电子和空穴）来导电。
载流子
4.光敏电阻能够把_________这个光学量转换为____这个电学量。
巩固练习
3.光敏电阻的应用
——计数器
A是发光仪器
B是接收光信号的仪器
无物品、有光照、电阻小、电压低
有物品、挡光、电阻大、电压高
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。
观看视频，神奇的机器工人
【例题1】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
ABC
解析：
当光强度增大时，R3阻值减小，外电路电阻随R3的减小而减小，干路电流增大，R1两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，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，C项正确。
光敏电阻
光照
放大器
M
N
N
被控电路
光控继电器的工作原理是:当照射光敏电阻时,
(1)光敏电阻的阻值 (变大或变小)；
(2) 被控电路 (填“接通”或“断开”)。
光控设备
电源
变小
接通
课堂练习
金属热电阻
铂电阻
电阻—温度特性曲线
R
T
o
规 律：
电阻随温度的升高而增大。
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
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做 电阻温度计。
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，温度基本不变，阻值较大，指示灯不亮
（图甲）。
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（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。
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
的温度，观察电阻的变
化情况。
三、热敏电阻
实验现象
热敏电阻放温水后，电流表读数明显增大，
温度升高，热敏电阻的阻值显 著减小。
实验结论
1.热敏电阻
特性：
热敏电阻的阻值会随着温度的升高而_____，具有负温度系数
减小
R
T
o
电阻—温度特性曲线
三、热敏电阻
2、金属热电阻和热敏电阻
（1）金属热电阻：
规律：电阻随温度的升高而增大。
（2）热敏电阻：
规律：电阻随温度的升高而减小。
温度
→
电阻
三、热敏电阻
电阻随温度的变化关系
3.应用实例——低油位报警装置
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。
给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。
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
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→灯亮
【例题2】关于传感器，下列说法正确的是（　　）
A.金属材料不可以制成传感器
B.光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的
C.传感器主要是通过感知电阻的变化来传递信号的
D.以上说法都不正确
传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料，故A错误；光敏电阻和热敏电阻都是由半导体材料制成的，故B正确，D错误；传感器一定是通过非电学量转换成电学量来传递信号的，不一定是通过感知电阻的变化来传递信号的，故C错误。
B
解析：
（1）热敏电阻与金属热电阻的阻值与温度的变化关系是否相同？
不相同
金属热电阻的阻值随温度升高而 _____。
热敏电阻的阻值随温度升高而_____。
减小
增加
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？
热敏电阻灵敏度高,但化学稳定性较差,测量 ________ ；
金属热电阻的化学稳定性较好，测量_________，但灵敏度较差。
范围较小
范围较大
（3）热敏电阻和金属热电阻都能将_______这个热学量转化为________这个电学量。
温度
电阻
巩固练习
四、电阻应变片——电子秤
四、电阻应变片——电子秤
①金属电阻应变片
②半导体电阻应变片
1.原理与特性
拉力→L变长→S变小→电阻变大
压力→L变短→S变大→电阻变小
金属的电阻应变效应
当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。
2.应用实例——电子秤
电子秤使用的测力装置：力传感器
常见的一种力传感器：
应变式力传感器
应变片
金属梁
2.应用实例——电子秤
金属梁
应变片
应变片
F
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。
应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
汽车称重的地磅
2.应用实例——电子秤
压力传感器
磅体
接线管
仪表盘
【例题3】(多选）关于电子秤中应变式力传感器说法正确的是(　 　)
A.应变片是由导体材料制成
B.当应变片的上表面拉伸时，其电阻变大，反之变小
C.传感器输出的是应变片上的电压
D.外力越大，输出的电压差值也越大
应变片多用半导体材料制成，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，B项正确；传感器输出的是应变片上、下两表面的电压差且随外力增大，输出电压差值增大 ，原理如右图所示，D项正确。
解析：
BD
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。用什么方法可以检测电容的变化？
电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
根据电容的定义式 ，可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，就可判断电容的变化。
思考与讨论
（1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等
定片
动片
θ
电介质
金属芯线
导电液体
角度、深度
位移、压力
电容
传感器
电容
（2）改变d：测量压力F
待测压力F
固定电极
可动电极
（3）改变ε：测量位移x
电容器极板
电介质板
被测物体
电容式位移传感器
x
隔离膜压力传感器
陶瓷压力传感器
电子秤
待测压力F
固定电极
膜片电极
【例题4】(多选)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，则压力F发生变化
D．若电流计有示数，则压力F不发生变化
BC
洛伦兹力等于电场力：
电流微观表达式：
联立得：
令
霍尔电压：
一个霍尔元件的d、k为定值，再保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。
磁感应强度
→
电压
霍尔元件
霍尔元件
★霍尔传感器应用实例:
永久磁铁和
霍尔元件
①电动车加速器
位置→磁场→电压→控制器控制车速
②霍尔无刷电动机(直流电源)
位置→ → →
三个霍尔
传感器
三个
电压
控制器控制
三个线圈
中的电流
如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，问：金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
由左手定则知
上表面聚集负电荷
下表面聚集正电荷
故下表面电势高
【针对训练】
1.传感器是指这样一类元件：
非电学量转化电学量，或转化为电路的通断。
2.传感器的作用：
方便进行测量、传输、处理和控制
4.传感器的工作原理：
非电学量
敏感元件
转换器件
转换电路
电学量
3.传感器的分类：
三大类物理、化学、生物传感器
观看视频：垃圾分捡机器人都用了什么传感器呢？
1．温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用金属热电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E=3.0V，内电阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为金属热电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1=2.0mA；当电流表的示数I2=1.0mA时，金属热电阻的温度是（　　）
A．40℃ B．60℃ C．80℃ D．100℃
C
2．如图是一火警报警电路的示意图，R3为用半导体热敏材料制成的传感器，这种半导体热敏材料的电阻率随温度的升高而减小。值班室的显示器为电路中的电流表，电源两极之间接一报警器。当传感器R3所在处出现火情时，电流表显示的电流I、报警器两端的电压U的变化情况（　　）
A．I变大，U变小
B．I变小，U变小
C．I变小，U变大
D．I变大，U变大
B
3．如图，在电路中接一段钨丝（从旧白炽灯中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗，根据钨丝的上述特性，可用钨丝来制作一个温度传感器，下面的说法中正确的是（　　）
A．该传感器利用了钨丝的化学性质
B．该传感器的原理是把电学量（电阻）转换为热学量（温度）
C．该传感器的敏感元件是钨丝，转换元件是灯泡
D．该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性
D
4．下列关于传感器的说法，正确的是（ ）
A．金属热电阻是一种可以将电学量转换为热学量的传感器
B．传感器不是电视遥控接收器的主要元件
C．干簧管是一种能够感知电场的传感器
D．传感器能将非电学量按一定规律转换成电学量或转换为电路的通断
D
5．电阻应变片是一种将被测件上的形状变化转换成为一种电信号的敏感器件，其阻值会随着机械形变而发生变化。如图所示为某同学设计的利用金属丝应变电阻来研究其阻值与拉力大小之间关系的电路，其中电压表和电流表是理想电表，a、b两点之间连接的是金属丝应变电阻，把一重物悬挂在金属丝中间。当把悬挂重物的质量减小时，下列说法正确的是（ ）
A．电流表示数变小
B．电压表示数变大
C．电压表与电流表示数之比变大
D．电压表与电流表示数变化之比不变
D
6．如图所示是一种测定竖直加速度的装置，A、B间的电压U恒定，R1为定值电阻，滑块左端与滑动变阻器R2的滑动头连接，下端与竖直轻弹簧连接。将该装置固定在竖直方向运动的电梯中，电梯静止时滑动头在变阻器的中间位置，理想电压表示数为1.5V。下列说法正确的是（　　）
A．电压表示数为1.2V时，电梯加速度方向向上
B．电压表示数为1.8V时，电梯一定向上加速
C．加速度增大时，电压表示数一定增大
D．将电压表的表盘改成表示加速度的表盘，刻度仍均匀
D
7．如图所示是光电计数器的工作示意图，其中A是发光仪器，B是传送带上的物品，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
BD
8．如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，A、B接监控装置，则（　　）
A．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压增大
B．当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压减小
C．当仅增大R2的阻值时，A、B之间的电压增大
D．当仅减小R2的阻值时，A、B之间的电压增大
BC
AB
9．霍尔式位移传感器的测量原理如图所示，有个沿z轴方向均匀变化的匀强磁场，磁感应强度B=B0+kz（B0、k均为常数）。将霍尔元件固定在物体上，保持通过霍尔元件的电流I不变（方向如图所示），曲物体沿z轴正方向平移时，由于位置不同，霍尔元件在y轴方向的上、下表面的电势差U也不同。则（　　）
A．磁感应强度B越大，上、下表面的电势差U越大
B．k越大，传感器灵敏度 越高
C．若图中霍尔元件是电子导电，则下板电势高
D．电流越大，上、下表面的电势差U越小