第2課 常見傳感器的工作原理及應(yīng)用【知識(shí)精講+備課精研】 高二物理 （人教版2019選擇性必修第二冊(cè)）

§5.2常見傳感器的工作原理及應(yīng)用

你見過自動(dòng)門嗎？討論一下它的原理自動(dòng)干手機(jī)自動(dòng)水龍頭我們知道，傳感器可以感受光強(qiáng)、溫度、力、磁等非電學(xué)量，并把它們轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量輸出。那么，常見的傳感器是怎樣感知非電學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的呢？利用不同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應(yīng)用呢？

把硫化鎘涂敷在絕緣板上，在其表面再用銀漿涂敷兩個(gè)互不相連的柵狀電極。1.光敏電阻的制作硫化鎘光強(qiáng)——電阻率小光弱——電阻率大光敏電阻2.光敏電阻的特性與原理實(shí)驗(yàn)觀察光敏電阻特性【實(shí)驗(yàn)原理】光敏電阻的阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增加而不斷減小，用歐姆表連接電阻，用不同強(qiáng)度的光照射電阻，通過觀察歐姆表的示數(shù)變化，來研究光敏電阻與光強(qiáng)的關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)器材】光敏電阻、多用電表、導(dǎo)線、電源。【實(shí)驗(yàn)步驟】（1)將光敏電阻、多用電表、按圖甲的方式連接好，其中多用電表置于“×100”擋；（2)先測(cè)出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)；（3)用手掌(或黑紙)遮光時(shí)，觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄。（4）用強(qiáng)光照射（如太陽光直接照射或拿亮度較大的手電筒、小燈泡等）觀察多用電表表盤指針顯示電阻阻值的情況，并記錄?！緮?shù)據(jù)處理】根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。環(huán)境1234567阻值（）光敏電阻實(shí)物圖光照情況受光表面暴露受光表面遮住電阻阻值電阻小電阻大光學(xué)量→電阻一、光敏電阻光敏電阻特性：

光敏電阻對(duì)光敏感。當(dāng)改變光照強(qiáng)度時(shí)，電阻的大小也隨著改變。一般會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增大而電阻值減小。一、光敏電阻空穴自由電子SiSiSiSiSiSiSiSiSi

溫度提高，一些電子掙脫原子核的束縛變?yōu)樽杂呻娮印槭裁窗雽?dǎo)體材料對(duì)溫度更敏感？

而電子原來的位置就變?yōu)榭昭?，這些空穴相當(dāng)于帶正電荷的粒子

一旦半導(dǎo)體接進(jìn)電路，形成電場(chǎng)，自由電子沿著空穴前進(jìn)，相當(dāng)于正負(fù)電荷都在移動(dòng)形成電流

溫度越高，掙脫的自由電子就越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

E一、光敏電阻光敏電阻工作原理：光照增強(qiáng)半導(dǎo)體材料中的載流子（自由電子和空穴）濃度增加材料的電阻率減小你擋住電梯門時(shí)，為什么門就自動(dòng)打開，松手后又自動(dòng)關(guān)閉？一般隨著光照強(qiáng)度的增大電阻值_______。減小1.特性：光敏電阻對(duì)光敏感。當(dāng)改變光照強(qiáng)度時(shí)，電阻的大小也隨著改變。光照強(qiáng)弱電阻2.材料：制作光敏電阻的材料一般為_______。如：硫化鎘半導(dǎo)體3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理：半導(dǎo)體靠其中的________（自由電子和空穴）來導(dǎo)電。載流子4.光敏電阻能夠把_________這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為____這個(gè)電學(xué)量。鞏固練習(xí)3.光敏電阻的應(yīng)用——計(jì)數(shù)器A是發(fā)光儀器B是接收光信號(hào)的儀器無物品、有光照、電阻小、電壓低有物品、擋光、電阻大、電壓高

這種高低交替變化的信號(hào)經(jīng)過處理，就會(huì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。

觀看視頻，神奇的機(jī)器工人【例題1】如圖所示，R1、R2為定值電阻，L為小燈泡，R3為光敏電阻，當(dāng)照射光強(qiáng)度增大時(shí)(

)A.電壓表的示數(shù)增大B.R2中電流減小C.小燈泡的功率增大D.電路的路端電壓增大ABC解析：當(dāng)光強(qiáng)度增大時(shí)，R3阻值減小，外電路電阻隨R3的減小而減小，干路電流增大，R1兩端電壓因干路電流增大而增大，同時(shí)內(nèi)電壓增大，故電路路端電壓減小，而電壓表的示數(shù)增大，A項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤；由路端電壓減小，而R1兩端電壓增大知，R2兩端電壓必減小，則R2中電流減小，故B項(xiàng)正確；結(jié)合干路電流增大知流過小燈泡的電流必增大，則小燈泡的功率增大，C項(xiàng)正確。光敏電阻光照放大器MNN被控電路光控繼電器的工作原理是:當(dāng)照射光敏電阻時(shí),(1)光敏電阻的阻值

(變大或變小)；(2)被控電路

(填“接通”或“斷開”)。光控設(shè)備電源變小接通課堂練習(xí)金屬熱電阻鉑電阻電阻—溫度特性曲線RTo規(guī)

律：

電阻隨溫度的升高而增大。優(yōu)缺點(diǎn)：

熱敏電阻靈敏度高，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，測(cè)量范圍較?。唤饘贌犭娮璧幕瘜W(xué)穩(wěn)定性較好，測(cè)量范圍較大，但靈敏度較差。二、金屬熱電阻常用的一種熱電阻是用鉑制作的，可用來做

電阻溫度計(jì)。二、金屬熱電阻金屬熱電阻的應(yīng)用：

如圖所示，一些汽車的低油位報(bào)警裝置采用熱敏電阻來檢測(cè)油箱的警戒液位。若給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會(huì)發(fā)熱。

當(dāng)液面高于熱敏電阻的高度時(shí)，熱敏電阻發(fā)出的熱量會(huì)被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮（圖甲）。

當(dāng)液體減少、熱敏電阻露出液面時(shí)，發(fā)熱導(dǎo)致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮（圖乙）。

通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。觀察熱敏電阻特性

將多用電表的選擇開關(guān)調(diào)到電阻擋（注意選擇適當(dāng)?shù)谋堵剩?，然后仿照?qǐng)D所示的方法，將一只熱敏電阻連接到多用電表表筆的兩端。分別用手和冷水改變熱敏電阻的溫度，觀察電阻的變化情況。三、熱敏電阻實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象熱敏電阻放溫水后，電流表讀數(shù)明顯增大，溫度升高，熱敏電阻的阻值顯

著減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.熱敏電阻特性：熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度的升高而_____，具有負(fù)溫度系數(shù)減小RTo電阻—溫度特性曲線三、熱敏電阻2、金屬熱電阻和熱敏電阻（1）金屬熱電阻：規(guī)律：電阻隨溫度的升高而增大。（2）熱敏電阻：規(guī)律：電阻隨溫度的升高而減小。溫度→電阻三、熱敏電阻電阻隨溫度的變化關(guān)系3.應(yīng)用實(shí)例——低油位報(bào)警裝置

當(dāng)液面高于熱敏電阻的高度時(shí)，熱敏電阻發(fā)出的熱量會(huì)被液體帶走，溫度基本不變，阻值較大，指示燈不亮。給熱敏電阻通以一定的電流，熱敏電阻會(huì)發(fā)熱。

當(dāng)液體減少、熱敏電阻露出液面時(shí)，發(fā)熱導(dǎo)致它的溫度上升、阻值較小，指示燈亮。通過判斷熱敏電阻的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。液位報(bào)警示意圖油位高→電阻大→燈不亮油位低→電阻小→燈亮【例題2】關(guān)于傳感器，下列說法正確的是（）A.金屬材料不可以制成傳感器B.光敏電阻和熱敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的C.傳感器主要是通過感知電阻的變化來傳遞信號(hào)的D.以上說法都不正確傳感器材料分半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)材料，故A錯(cuò)誤；光敏電阻和熱敏電阻都是由半導(dǎo)體材料制成的，故B正確，D錯(cuò)誤；傳感器一定是通過非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量來傳遞信號(hào)的，不一定是通過感知電阻的變化來傳遞信號(hào)的，故C錯(cuò)誤。B解析：（1）熱敏電阻與金屬熱電阻的阻值與溫度的變化關(guān)系是否相同？不相同金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而_____。熱敏電阻的阻值隨溫度升高而_____。減小增加熱敏電阻和金屬熱電阻（2）熱敏電阻和金屬熱電阻各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？熱敏電阻靈敏度高,但化學(xué)穩(wěn)定性較差,測(cè)量________；金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性較好，測(cè)量_________，但靈敏度較差。范圍較小范圍較大（3）熱敏電阻和金屬熱電阻都能將_______這個(gè)熱學(xué)量轉(zhuǎn)化為________這個(gè)電學(xué)量。溫度電阻鞏固練習(xí)四、電阻應(yīng)變片——電子秤四、電阻應(yīng)變片——電子秤①金屬電阻應(yīng)變片②半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片1.原理與特性拉力→L變長(zhǎng)→S變小→電阻變大壓力→L變短→S變大→電阻變小金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為壓阻效應(yīng)。2.應(yīng)用實(shí)例——電子秤電子秤使用的測(cè)力裝置：力傳感器常見的一種力傳感器：應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變片金屬梁2.應(yīng)用實(shí)例——電子秤金屬梁應(yīng)變片應(yīng)變片F(xiàn)

在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面應(yīng)變片的電阻變小。力F越大，彎曲形變?cè)酱?，?yīng)變片的電阻變化就越大。應(yīng)變片是把形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。汽車稱重的地磅2.應(yīng)用實(shí)例——電子秤壓力傳感器磅體接線管儀表盤【例題3】(多選）關(guān)于電子秤中應(yīng)變式力傳感器說法正確的是(

)A.應(yīng)變片是由導(dǎo)體材料制成B.當(dāng)應(yīng)變片的上表面拉伸時(shí)，其電阻變大，反之變小C.傳感器輸出的是應(yīng)變片上的電壓D.外力越大，輸出的電壓差值也越大

應(yīng)變片多用半導(dǎo)體材料制成，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面應(yīng)變片的電阻變小，B項(xiàng)正確；傳感器輸出的是應(yīng)變片上、下兩表面的電壓差且隨外力增大，輸出電壓差值增大，原理如右圖所示，D項(xiàng)正確。解析：BD如圖所示，當(dāng)被測(cè)物體在左、右方向發(fā)生位移時(shí)，電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動(dòng)。如果測(cè)出了電容的變化，就能知道物體位置的變化。用什么方法可以檢測(cè)電容的變化？

電容式位移傳感器能把物體的位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量。根據(jù)電容的定義式

，可知，給電容器帶上一定的電荷，然后用靜電計(jì)來檢測(cè)兩極板間電勢(shì)差的變化，就可判斷電容的變化。思考與討論（1）改變S：測(cè)量角度θ、液面高度h等定片動(dòng)片θ電介質(zhì)金屬芯線導(dǎo)電液體角度、深度位移、壓力電容傳感器電容（2）改變d：測(cè)量壓力F待測(cè)壓力F固定電極可動(dòng)電極（3）改變?chǔ)牛簻y(cè)量位移x電容器極板電介質(zhì)板被測(cè)物體電容式位移傳感器x隔離膜壓力傳感器陶瓷壓力傳感器電子秤待測(cè)壓力F固定電極膜片電極【例題4】(多選)傳感器是一種采集信號(hào)的重要器件，如圖是一種測(cè)定壓力的電容式傳感器，當(dāng)待測(cè)壓力F作用于可動(dòng)膜片產(chǎn)生變形，引起電容的變化，若將電容器、靈敏電流計(jì)和電源串聯(lián)接成閉合電路，那么（）A．當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將減小B．當(dāng)F向上壓膜片電極時(shí)，電容將增大C．若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F發(fā)生變化D．若電流計(jì)有示數(shù)，則壓力F不發(fā)生變化BC洛倫茲力等于電場(chǎng)力：電流微觀表達(dá)式：聯(lián)立得：令霍爾電壓：

一個(gè)霍爾元件的d、k為定值，再保持I恒定，則UH的變化就與B成正比。磁感應(yīng)強(qiáng)度→電壓霍爾元件霍爾元件★霍爾傳感器應(yīng)用實(shí)例:永久磁鐵和霍爾元件①電動(dòng)車加速器位置→磁場(chǎng)→電壓→控制器控制車速②霍爾無刷電動(dòng)機(jī)(直流電源)位置→

→

→三個(gè)霍爾傳感器三個(gè)電壓控制器控制

三個(gè)線圈中的電流如圖所示，有電流I流過長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊寬為d，高為b，有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于紙面向里，金屬塊單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，問：金屬塊上、下表面哪面電勢(shì)高？電勢(shì)差是多少？由左手定則知上表面聚集負(fù)電荷下表面聚集正電荷

故下表面電勢(shì)高

【針對(duì)訓(xùn)練】1.傳感器是指這樣一類元件：

非電學(xué)量轉(zhuǎn)化電學(xué)量，或轉(zhuǎn)化為電路的通斷。2.傳感器的作用：

方便進(jìn)行測(cè)量、傳輸、處理和控制4.傳感器的工作原理：非電學(xué)量敏感元件轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換電路電學(xué)量3.傳感器的分類：

三大類物理、化學(xué)、生物傳感器觀看視頻：垃圾分撿機(jī)器人都用了什么傳感器呢？1．溫度傳感器廣泛應(yīng)用于家用電器中，它是利用金屬熱電阻的阻值隨溫度變化的特性來工作的。圖甲所示為某裝置中的傳感器工作原理圖，已知電源的電動(dòng)勢(shì)E=3.0V，內(nèi)電阻不計(jì)，G為靈敏電流表，其內(nèi)阻Rg保持不變；R為金屬熱電阻，其阻值隨溫度的變化關(guān)系如圖乙所示。閉合開關(guān)S，當(dāng)R的溫度等于20℃時(shí)，電流表示數(shù)I1=2.0mA；當(dāng)電流表的示數(shù)I2=1.0mA時(shí)，金屬熱電阻的溫度是（）A．40℃ B．60℃ C．80℃ D．100℃C2．如圖是一火警報(bào)警電路的示意圖，R3為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，這種半導(dǎo)體熱敏材料的電阻率隨溫度的升高而減小。值班室的顯示器為電路中的電流表，電源兩極之間接一報(bào)警器。當(dāng)傳感器R3所在處出現(xiàn)火情時(shí)，電流表顯示的電流I、報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況（）A．I變大，U變小B．I變小，U變小C．I變小，U變大D．I變大，U變大B3．如圖，在電路中接一段鎢絲（從舊白熾燈中取出），閉合開關(guān)，燈泡正常發(fā)光，當(dāng)用打火機(jī)給鎢絲加熱時(shí)燈泡亮度明顯變暗，根據(jù)鎢絲的上述特性，可用鎢絲來制作一個(gè)溫度傳感器，下面的說法中正確的是（）A．該傳感器利用了鎢絲的化學(xué)性質(zhì)B．該傳感器的原理是把電學(xué)量（電阻）轉(zhuǎn)換為熱學(xué)量（溫度）C．該傳感器的敏感元件是鎢絲，轉(zhuǎn)換元件是燈泡D．該傳感器利用了鎢絲電阻隨溫度變化而變化的特性D4．下列關(guān)于傳感器的說法，正確的是（

）A．金屬熱電阻是一種可以將電學(xué)量轉(zhuǎn)換為熱學(xué)量的傳感器B．傳感器不是電視遙控接收器的主要元件C．干簧管是一種能夠感知電場(chǎng)的傳感器D．傳感器能將非電學(xué)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或轉(zhuǎn)換為電路的通斷D5．電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的形狀變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件，其阻值會(huì)隨著機(jī)械形變而發(fā)生變化。如圖所示為某同學(xué)設(shè)計(jì)的利用金屬絲應(yīng)變電阻來研究其阻值與拉力大小之間關(guān)系的電路，其中電壓表和電流表是理想電表，a、b兩點(diǎn)之間連接的是金屬絲應(yīng)變電阻，把一重物懸掛在金屬絲中間。當(dāng)把懸掛重物的質(zhì)量減小時(shí)，下列說法正確的是（

）A．電流表示數(shù)變小 B．電壓表示數(shù)變大C．電壓表與電流表示數(shù)之比變大 D．電壓表與電流表示數(shù)變化之比不變D6．如圖所示是一種測(cè)定豎直加速度的裝置，A、B間的電壓U恒定，R1為定值電阻，滑塊左端與滑動(dòng)變阻器R2的滑動(dòng)頭連接，下端與豎直輕彈簧連接。將該裝置固定在豎直方向運(yùn)動(dòng)的電梯中，電梯靜止時(shí)滑動(dòng)頭在變阻器的中間位