5.2常见传感器的工作原理及应用 课件—2020-2021学年高二下学期物理人教版（32张PPT）选择性必修第二册

5.2 常见传感器的工作原理及应用
日常的传感器，工业生产传感器的作用，以及这些传感器的基本构成（点出哪些具体组成）；传感器的分类、发展和主要性能指标，传感器的动静态特征，特别是传感器的测量误差计算。
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？
1、光敏电阻能够将什么量转化为什么量？
2、热敏电阻和金属热电阻有何异同？
3、电饭锅——感温铁氧体的应用？


一、光敏电阻
硫化镉的电阻率与所受光照的强度有关。
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。硫化镉表面受到的光照强度不同时两个电极间的电阻不一样。
汉武帝
实验：
观察光敏电阻的特性
用多用电表测量
1.光敏电阻在自然光照射下的电阻
2.光敏电阻在手掌遮住时的电阻大小
汉武帝
光敏电阻的应用
产品在流水线上，常需要对产品计数。如图所示，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。
典例精析
下列关于传感器说法中不正确的是（　　）
A．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它将压力大小转化为可变电阻，进而转化为电压信号
B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断
D．光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量
B
解析：A、电子秤所使用的测力装置是力传感器，利用通过应力片的电流一定，压力越大，电阻越大，应力片两端的电压差越大，将力信号变成电信号，故A正确；
B、话筒是一种常用的声波传感器，其作用是声信号转换为电信号，故B错误；
C、电熨斗通过温度传感器，由于双金属片上下层膨胀系数不同，在同一温度下的伸缩不一，从而实现温度的自动控制，从而实现控制电路的通断，故C正确；
D、光敏电阻是由半导体材料制成的；其电阻值随光照的强弱发生变化，能够把光照强弱变化转换为电阻大小变化；阻值随光照的增强而减小，故D正确；
因选不正确的
故选：B。
变式训练
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
解析：额温枪是通过测量人体发射的红外线来感知人体体温的，故其核心部件是红外温度传感器，故D正确，ABC错误。
故选：D。
D
光敏电阻是由半导体材料制成的；其电阻值随光照的强弱发生变化，能够把光照强弱变化转换为电阻大小变化；阻值随光照的增强而减小。
技法点拨：
二、金属热电阻和热敏电阻 　
金属温度计：金属铂制成
热敏电阻：氧化锰等金属氧化物制成
除了光照以外，温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。金属热电阻和热敏电阻就是传感器中常见的感知温度的敏感元件。
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。常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做电阻温度计。与金属不同，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。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。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
实验：
观察热敏电阻的特性
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，除了可用来测量温度，还可以有其他用处。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。
典例精析
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
B
解析：A、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；
B、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；
C、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；
故选：B。
变式训练
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
解析：A、干簧管是一种能够感知磁场的传感器，其作用是将磁场信号转换为电信号，故A错误；
B、热敏电阻是半导体材料，当温度升高时，电阻减小，而金属电阻随着温度升高时，导电能力减小，故B错误；
C、电熨斗通过温度传感器，由于双金属片上下层膨胀系数不同，在同一温度下的伸缩不一，从而实现温度的自动控制，故C错误；
D、烟雾散射式火灾报警器，烟雾进入报警器，使其发生漫反射，从而将光信号转换成电信号，使其误报警，故D正确；
故选：D。
热敏电阻是半导体材料，当温度升高时，电阻减小，而金属电阻随着温度升高时，导电能力减小。
技法点拨：
三、电阻应变片　
电阻应变片是一种使用非常广泛的力敏元件。电阻导体的材料、长度和横截面积有关。当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力是，长度变短、横截面积变大，导致电阻变小。
————金属电阻的应变效应
我们经常见到的电子秤，它所使用的测力器件是力传感器。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。
这种力传感器的工作原理如图所示。弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片。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。
应变式力传感器应用：
通过前面的学习可以知道，光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。与之类似，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。电容式传感器有非常广泛的应用。
思考与讨论：
电容式位移传感器的工作原理是怎样的？
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 霍尔效应
利用霍尔元件测量微小位移
典例精析
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
A
解析：A、自动洗衣机中压力传感器、数字体重计所用的测力装置都应用了力传感器，故A正确；
B、在天黑楼道里出现声音时，楼道里的灯才亮，说明它的控制电路中既有声音传感器，又有光传感器；但红外报警装置是应用了红外线传感器，故B错误。
C、发光二极管不是光传感器，故C错误；
D、霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量，故D错误。
故选：A。
变式训练
下列说法不正确的是（　　）
A．电熨斗中的双金属片是温度传感器
B．金属热电阻的化学稳定性好，但灵敏度差
C．霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器
D．热敏电阻是把热量这个热学量转换为电阻这个电学量
D
解析：A、利用双金属片温度传感器，可以控制电熨斗的温度，故A与题意不符；
B、金属热电阻由金属材料制成，其化学稳定性好，但灵敏度差，故B与题意不符；
C、霍尔元件是能够把磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量的传感器，故C与题意不符；
D、热敏电阻是把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，故D与题意相符；
本题选不正确的，故选：D。
电阻应变片是一种使用非常广泛的力敏元件。电阻导体的材料、长度和横截面积有关。当金属丝受到拉力时，长度变长、横截面积变小，导致电阻变大；当金属丝受到压力是，长度变短、横截面积变大，导致电阻变小。
技法点拨：
1、传感器的概念：
传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。
2、传感器的工作原理：
3、敏感元件：
（1）光敏电阻（光电传感器）
（2）热敏电阻和热电阻 （ 温度传感器）
（3）电容式传感器 （位移传感器）
再见