5.2 常见传感器的工作原理及应用 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修2(共29张PPT)
文档属性
| 名称 | 5.2 常见传感器的工作原理及应用 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修2(共29张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 16.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-01-11 22:25:28 | ||
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文档简介
(共29张PPT)
第2节 常见传感器的工作原理及应用
第五章 传感器
我们知道，传感器可以把非电学量转换为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？
非电学
电学量
？
1.认识传感器就是把非电学量转换为电学量的装置，其主要元件是敏感元件。
2.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。
3.利用电容器的结构改变影响电容的性质，设计电容式位移传感器。
知识点一：光敏电阻
1.光敏电阻
（1）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梳状电极，这样就制成了一个光敏电阻。
硫化镉
光敏电阻
（2）硫化镉表面受到的光照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样，光敏电阻是光电传感器中常见的光敏元件。
（3）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。
下面我们通过实验来研究光敏电阻特性。
（1）实验器材
多用电表、遮光盒、手电筒、导线
（2）实验步骤
①选择开关置于倍率为×100的电阻挡，同时把多用电表重新进行欧姆调零。
2.实验：观察光敏电阻特性
②如图，连接光敏电阻，在室内自然光的照射下，观察电阻的大小，把数据记录到表格中。
③用遮光盒遮住光线，用多用电表测出此时光敏电阻的阻值，把数据记录到表格中。
④用手电筒照射光敏电阻，用多用电表测出此时光敏电阻的阻值，把数据记录到表格中。
实验器材 模拟光照条件 光敏电阻阻值
无 自然光
遮光盒 几乎无光
手电筒 较强光
约350欧
约25000欧
约100欧
（4）实验结论
①光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。
原因是：
硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差； 随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
②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。
3.光敏电阻的应用——光电计数器
（1）光电计数器的组成
如图：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。
A
B
A
B
（2）光电计数的原理
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。
1.如图所示，额温枪因其具有快速、无接触测温的特点，广泛应用在各类新型冠状病毒防控场所．额温枪核心部件的传感器是（ ）
A．位移传感器 B．声音传感器
C．力传感器 D．红外温度传感器
D
练一练
知识点二：金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻
金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。
1
R
T
O
金属热电阻随温度的变化关系
2.热敏电阻:用半导体材料制成。
有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。
2
R
T
O
热敏电阻随温度的变化关系
有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
分类 热敏电阻 金属热电阻
制作材料
导电原理
优点
特点
作用
3.热敏电阻和金属热电阻的区别
半导体
金属
自由电子和空穴等载流子
自由电子的定向移动
灵敏度较好
化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差
负温度系数的热敏电阻，电阻率随温度的升高而减小
电阻率随温度的升高而增大
将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
4.实验：观察热敏电阻特性
（1）实验器材
半导体热敏电阻、电流表、热水、导线、电建、电源、烧杯。
（2）实验步骤
①把电流表、开关、电源、热敏电阻串联在电路中，闭合开关，观察电流表的示数。
②向烧杯中注入热水，使热敏电阻浸没在热水中，闭合开关，观察电流表的示数。
（3）现象
把热敏电阻串联到电路中，闭合开关，电路中有电流通过，使热敏电阻浸没在热水中，电流表的示数增大。
（4）实验结论
热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。
5.热敏电阻的应用
（1）利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系，可用来测量温度。
（2）低油位报警装置
若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。如图甲所示，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。
甲
如图乙所示，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。
乙
1.下列关于传感器的说法正确的是（ ）
A．干簧管相当于一个对干湿度敏感的弹簧管
B．热敏电阻和金属热电阻都是用半导体材料制成的，当温度升高时形成更多的空穴，导电能力明显增强
C．电熨斗装有双金属片温度传感器，可以使其上下层温度不同从而自动控制电路
D．烟雾散射式火灾报警器有可能在有大量烟民同时吸烟的场所出现误报警
D
练一练
知识点三：电阻应变片
1.电阻应变片：是一种使用非常广泛的力敏元件。
电阻应变片
2.金属的电阻应变效应
（1）根据电阻的定义式：
拉力→L变长→S变小→电阻变大；压力→L变短→S变大→电阻变小
（2）电阻应变效应
①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。金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。
②压阻效应：
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。
③电阻应变片的功能：
能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
3.力传感器的应用及工作原理
（1）我们经常见到的电子秤，它所使用的测力器件是力传感器。
（2）常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的，其结构如图所示，称为应变式力传感器。
应变式力传感器
（3）力传感器的工作原理
应变片
应变片
金属梁
应变片测力原理
F
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。
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。
（4）力传感器的应用
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
汽车称重的地磅
应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
4.电容式传感器
原理：
电容器的电容 C 决定于极板的正对面积 S、极板间的距离 d 以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成电容式传感器。
思考讨论：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？
被测物体
电介质板
电容器极板
电容式位移传感器
电容式位移传感器中，位移是被测量，电介质板随之在电容器两极板之间移动为敏感元件，电容器是转换器件，由公式c=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，可判断电容的变化。
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。
拓展学习
霍尔元件
霍尔元件的应用及原理1—测量磁场的大小
导体的霍尔效应要强于导体。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（右图下）。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。
霍尔效应
霍尔原件的工作原理
霍尔元件的应用及原理2—测量微小位移
在两块磁感应强度相同、同极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，霍尔电压UH为0，可将该点作为位移的零点。当霍尔元件沿着±z方向移动时，则有霍尔电压输出，且电压大小与位移大小成正比，从而能够实现微小位移的测量。
利用霍尔元件测量微小位移
1.目前，传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域，关于传感器的应用，下列说法中正确的是（ ）
A．自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器
B．走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器
C．发光二极管是一种常用的光传感器，其作用是将光信号转换为电信号
D．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
练一练
A
常见传感器的工作原理及应用
光敏电阻
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
能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
金属热电阻和热敏电阻
金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大
热敏电阻:用半导体材料制成,在温度上升时导电能力增强
电阻应变片
电阻应变片：是一种使用非常广泛的力敏元件
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
第2节 常见传感器的工作原理及应用
第五章 传感器
我们知道，传感器可以把非电学量转换为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？
非电学
电学量
？
1.认识传感器就是把非电学量转换为电学量的装置，其主要元件是敏感元件。
2.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。
3.利用电容器的结构改变影响电容的性质，设计电容式位移传感器。
知识点一：光敏电阻
1.光敏电阻
（1）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梳状电极，这样就制成了一个光敏电阻。
硫化镉
光敏电阻
（2）硫化镉表面受到的光照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样，光敏电阻是光电传感器中常见的光敏元件。
（3）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。
下面我们通过实验来研究光敏电阻特性。
（1）实验器材
多用电表、遮光盒、手电筒、导线
（2）实验步骤
①选择开关置于倍率为×100的电阻挡，同时把多用电表重新进行欧姆调零。
2.实验：观察光敏电阻特性
②如图，连接光敏电阻，在室内自然光的照射下，观察电阻的大小，把数据记录到表格中。
③用遮光盒遮住光线，用多用电表测出此时光敏电阻的阻值，把数据记录到表格中。
④用手电筒照射光敏电阻，用多用电表测出此时光敏电阻的阻值，把数据记录到表格中。
实验器材 模拟光照条件 光敏电阻阻值
无 自然光
遮光盒 几乎无光
手电筒 较强光
约350欧
约25000欧
约100欧
（4）实验结论
①光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。
原因是：
硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差； 随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
②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。
3.光敏电阻的应用——光电计数器
（1）光电计数器的组成
如图：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。
A
B
A
B
（2）光电计数的原理
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。
1.如图所示，额温枪因其具有快速、无接触测温的特点，广泛应用在各类新型冠状病毒防控场所．额温枪核心部件的传感器是（ ）
A．位移传感器 B．声音传感器
C．力传感器 D．红外温度传感器
D
练一练
知识点二：金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻
金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。
1
R
T
O
金属热电阻随温度的变化关系
2.热敏电阻:用半导体材料制成。
有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。
2
R
T
O
热敏电阻随温度的变化关系
有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。
分类 热敏电阻 金属热电阻
制作材料
导电原理
优点
特点
作用
3.热敏电阻和金属热电阻的区别
半导体
金属
自由电子和空穴等载流子
自由电子的定向移动
灵敏度较好
化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差
负温度系数的热敏电阻，电阻率随温度的升高而减小
电阻率随温度的升高而增大
将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
4.实验：观察热敏电阻特性
（1）实验器材
半导体热敏电阻、电流表、热水、导线、电建、电源、烧杯。
（2）实验步骤
①把电流表、开关、电源、热敏电阻串联在电路中，闭合开关，观察电流表的示数。
②向烧杯中注入热水，使热敏电阻浸没在热水中，闭合开关，观察电流表的示数。
（3）现象
把热敏电阻串联到电路中，闭合开关，电路中有电流通过，使热敏电阻浸没在热水中，电流表的示数增大。
（4）实验结论
热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，随温度的降低而增大。
5.热敏电阻的应用
（1）利用金属热电阻和热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系，可用来测量温度。
（2）低油位报警装置
若给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。如图甲所示，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。
甲
如图乙所示，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。
乙
1.下列关于传感器的说法正确的是（ ）
A．干簧管相当于一个对干湿度敏感的弹簧管
B．热敏电阻和金属热电阻都是用半导体材料制成的，当温度升高时形成更多的空穴，导电能力明显增强
C．电熨斗装有双金属片温度传感器，可以使其上下层温度不同从而自动控制电路
D．烟雾散射式火灾报警器有可能在有大量烟民同时吸烟的场所出现误报警
D
练一练
知识点三：电阻应变片
1.电阻应变片：是一种使用非常广泛的力敏元件。
电阻应变片
2.金属的电阻应变效应
（1）根据电阻的定义式：
拉力→L变长→S变小→电阻变大；压力→L变短→S变大→电阻变小
（2）电阻应变效应
①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。金属电阻应变片就是利用这一原理制成的。
②压阻效应：
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。
③电阻应变片的功能：
能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
3.力传感器的应用及工作原理
（1）我们经常见到的电子秤，它所使用的测力器件是力传感器。
（2）常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的，其结构如图所示，称为应变式力传感器。
应变式力传感器
（3）力传感器的工作原理
应变片
应变片
金属梁
应变片测力原理
F
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。
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。
（4）力传感器的应用
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
汽车称重的地磅
应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
4.电容式传感器
原理：
电容器的电容 C 决定于极板的正对面积 S、极板间的距离 d 以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成电容式传感器。
思考讨论：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？
被测物体
电介质板
电容器极板
电容式位移传感器
电容式位移传感器中，位移是被测量，电介质板随之在电容器两极板之间移动为敏感元件，电容器是转换器件，由公式c=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，可判断电容的变化。
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。
拓展学习
霍尔元件
霍尔元件的应用及原理1—测量磁场的大小
导体的霍尔效应要强于导体。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（右图下）。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。
霍尔效应
霍尔原件的工作原理
霍尔元件的应用及原理2—测量微小位移
在两块磁感应强度相同、同极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，霍尔电压UH为0，可将该点作为位移的零点。当霍尔元件沿着±z方向移动时，则有霍尔电压输出，且电压大小与位移大小成正比，从而能够实现微小位移的测量。
利用霍尔元件测量微小位移
1.目前，传感器已经广泛应用于生产、生活、科学研究等各个领域，关于传感器的应用，下列说法中正确的是（ ）
A．自动洗衣机中的压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器
B．走廊照明灯的声控开关、红外报警装置都是应用了声传感器
C．发光二极管是一种常用的光传感器，其作用是将光信号转换为电信号
D．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电阻这个电学量
练一练
A
常见传感器的工作原理及应用
光敏电阻
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
能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
金属热电阻和热敏电阻
金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大
热敏电阻:用半导体材料制成,在温度上升时导电能力增强
电阻应变片
电阻应变片：是一种使用非常广泛的力敏元件
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