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（共23张ppt）
文档属性
| 名称 | 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（共23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 | 2024-04-28 12:29:54 | ||
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文档简介
(共23张PPT)
第2节 常见传感器 的工作原理及应用
第五章
人教版（2019）选择性必修二
CONTENTS
目录
光敏电阻
01
金属热电阻和热敏电阻
02
电阻应变片
03
学以致用提高练习
05
霍尔元件
04
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。
问题1：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？
问题2：利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
新课导入
知识讲解
课堂小结
随堂练习
布置作业
一、光敏电阻
1.光敏电阻的制作
①结构：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。
②原理：光敏电阻的构成物质为硫化镉是半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
③作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
下面我们通过实验来研究光敏电阻特性。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
2.实验：观察光敏电阻特性
（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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
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
（3）实验数据记录
（4）实验演示
（5）实验结论
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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
A
B
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。
（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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
二、金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻：
金属的电阻率随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。
R
T
O
金属热电阻随温度的变化关系
2.热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力增强。用半导体材料制作热敏电阻。
R
T
O
热敏电阻随温度的变化关系
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。
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。
注意：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
3.金属热电阻与热敏电阻特性
金属热电阻特性
热敏电阻特性
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
4.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
低油位报警装置原理：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。
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
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。
2.电阻应变效应：
①金属电阻的应变效应：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。
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半导体电阻压阻效应：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。
电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
3.电阻应变片原理：
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
4.电阻应变片的应用——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
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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
知识拓展——电容式位移传感器
问题：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？
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。
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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
知识拓展——电容式位移传感器
（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
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
四、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（如图）。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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
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
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
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
霍尔元件
布置作业
课堂小结
新课导入
知识讲解
随堂练习
五、学以致用提高练习
1.在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是（ ）
A．光传感器 B．温度传感器 C．声传感器 D．磁传感器
【答案】A
【解析】在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是光传感器。故选A。
随堂练习
新课导入
知识讲解
课堂小结
布置作业
2.非触摸式自动感应水龙头如图所示,其应用的传感器是( )
A.压力传感器 B.光电传感器
C.生物传感器 D.温度传感器
答案:B
解析:自动感应水龙头应用的是光电传感器。
随堂练习
新课导入
知识讲解
课堂小结
布置作业
3.如图甲所示,光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的( )
答案:B
解析:光敏电阻阻值随光照的增强而减小,根据题图知R2两端的电压随光照的增强而减小,但不会是零,所以选B。
随堂练习
新课导入
知识讲解
课堂小结
布置作业
4.(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时( )
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
答案:AB
随堂练习
新课导入
知识讲解
课堂小结
布置作业
5.(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则( )
A.电势φa>φb
B.电势φb>φa
C.B一定,电流增大时,|φa-φb|增大
D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样
解析:铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以φa>φb,A对,B错;因|φa-φb|=k ,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,C对;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误。
答案:AC
随堂练习
新课导入
知识讲解
课堂小结
布置作业
随堂练习
布置作业
新课导入
知识讲解
课堂小结
布置作业（再见）
第2节 常见传感器 的工作原理及应用
第五章
人教版（2019）选择性必修二
CONTENTS
目录
光敏电阻
01
金属热电阻和热敏电阻
02
电阻应变片
03
学以致用提高练习
05
霍尔元件
04
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。
问题1：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？
问题2：利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
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知识讲解
课堂小结
随堂练习
布置作业
一、光敏电阻
1.光敏电阻的制作
①结构：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。
②原理：光敏电阻的构成物质为硫化镉是半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
③作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
下面我们通过实验来研究光敏电阻特性。
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知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
2.实验：观察光敏电阻特性
（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。
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课堂小结
布置作业
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
（3）实验数据记录
（4）实验演示
（5）实验结论
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。
新课导入
知识讲解
随堂练习
课堂小结
布置作业
A
B
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。
（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。
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随堂练习
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二、金属热电阻和热敏电阻
1.金属热电阻：
金属的电阻率随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。
R
T
O
金属热电阻随温度的变化关系
2.热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力增强。用半导体材料制作热敏电阻。
R
T
O
热敏电阻随温度的变化关系
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。
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。
注意：把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
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3.金属热电阻与热敏电阻特性
金属热电阻特性
热敏电阻特性
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4.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
低油位报警装置原理：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。
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→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。
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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。
2.电阻应变效应：
①金属电阻的应变效应：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。
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半导体电阻压阻效应：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。
电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
3.电阻应变片原理：
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4.电阻应变片的应用——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
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。
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知识拓展——电容式位移传感器
问题：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？
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。
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。
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随堂练习
课堂小结
布置作业
知识拓展——电容式位移传感器
（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
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四、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（如图）。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。
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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
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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
霍尔元件
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五、学以致用提高练习
1.在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是（ ）
A．光传感器 B．温度传感器 C．声传感器 D．磁传感器
【答案】A
【解析】在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是光传感器。故选A。
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2.非触摸式自动感应水龙头如图所示,其应用的传感器是( )
A.压力传感器 B.光电传感器
C.生物传感器 D.温度传感器
答案:B
解析:自动感应水龙头应用的是光电传感器。
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3.如图甲所示,光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的( )
答案:B
解析:光敏电阻阻值随光照的增强而减小,根据题图知R2两端的电压随光照的增强而减小,但不会是零,所以选B。
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4.(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路,R1为定值电阻,R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小),C为电容器。当环境温度降低时( )
A.电容器C的带电荷量增大
B.电压表的读数增大
C.电容器C两板间的电场强度减小
D.R1消耗的功率增大
答案:AB
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5.(多选)霍尔元件的示意图如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的前、后板面垂直于磁场,板内通有如图方向的电流,a、b是铜板上、下边缘的两点,则( )
A.电势φa>φb
B.电势φb>φa
C.B一定,电流增大时,|φa-φb|增大
D.其他条件不变,将铜板改为NaCl溶液时,电势结果仍然一样
解析:铜板中的自由电荷是电子,电子定向移动的方向与电流的方向相反,由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转,所以φa>φb,A对,B错;因|φa-φb|=k ,所以B一定,电流增大时,|φa-φb|增大,C对;若将铜板改为NaCl溶液,溶液中的正、负离子均向b侧偏转,|φa-φb|=0,即不产生霍尔效应,故D选项错误。
答案:AC
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