第五章 传感器 讲义 -2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

人教版新高考物理学讲义----电磁学 第五章 传感器 第五章 传感器 第一节：认识传感器 （1、传感器） （2、传感器的原理和分类） 第二节：常见传感器的工作原理及应用 （1、光敏电阻） （2、热敏电阻和金属热电阻） （3、应变式力传感器） （4、电容式传感器） （5、声传感器） （6、温度传感器） （7、传感器应用的一般模式） 第三节：利用传感器制作简单的自动控制装置 （1、电饭锅的工作原理） （2、火灾报警器的工作原理） （3、斯密特触发器） （4、蜂鸣器） （5、鼠标） （6、常见传感器的应用） （7、常见电学原件的原理） 第一节 传感器 一、传感器 1．定义：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，或转化为电路的通断的器件或者装置。 2.功能：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。 二、传感器的原理和分类 1．传感器原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。 2．传感器的分类 常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。 第二节 常见传感器的工作原理及应用 一、光敏电阻 1、特点：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。 2、原理：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。 二、热敏电阻和金属热电阻 1、 热敏电阻： 用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。 　　　　 理解： （1）在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数（）热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数（）热敏电阻器。 （2）热敏电阻器的应用十分广泛，主要应用于： ①利用电阻—温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿。 ②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用。 ③利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等。 ④利用热惯性作为时间延时器。 2、金属热电阻 有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。 理解： 热敏电阻或金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较高。 三、应变式力传感器 1、组成：由金属梁和应变片组成。 2、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，左梁的自由端施力，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，下表面电阻变小。越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下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。外力越大，输出的电压差值也就越大。 四、电容式传感器 如图所示，当待测压力作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流表、电源串联，组成闭合电路，当向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流表有示数。 5、 声传感器--话筒 1．话筒的作用 把声音信号转换为电信号。 2．电容式话筒 （1）原理：如图所示，是绝缘支架，薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻两端就输出了与声音变化规律相同的电压。 （2）优点：保真度好。 3．驻极体话筒 （1）极化现象：将电介质放人电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象。 （2）驻极体：某些电介质在电场中被极化后，去掉外加电场，仍然会长期保持被极化的状