5.1 传感器及其工作原理（课件） -高二物理同步精品课堂（粤教版2019选择性必修第二册）

5.1 传感器及其工作原理 新粤教版（2019）高中物理选择性必修第二册 第五章 新课引入 思考：日常生活中，为什么电饭煲能自动加热和保温，而不会把饭烧焦？其实这要归功于现代传感器技术的发展和应用。 什么是传感器 农贸市场上，用于称重的杆秤已被更为灵敏的电子秤(如图所示)替代。电子秤受到重物的压力，内部的称重传感器就会把受到的压力大小这一信息转化为电信号，并对电信号进行处理后，显示出对应重物质量的相应数字。 像称重传感器这种能够感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转化为可用信号的器件或装置，称为传感器。 1、传感器是指这样一类器件或装置：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。 2、传感器的组成：由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成 什么是传感器 敏感元件：直接感受被测量，并将其变换成与被测量成一定关系的易于被测量的物理量。 转换元件：将敏感元件输出的物理量转换为便于显示、记录、处理和控制的电学量。 转换电路：将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量。 什么是传感器 如图所示，将电容式话筒与电阻串联，用电压表测量电阻两端的电压。闭合开关后，对着话筒说话。 思考1：当说话的音量变化时，观察电压表的示数如何变化。 思考2：分析电容式话筒是怎样把声音信号转换成电信号的。 实验中，电容式话筒的关键部件是由振动膜片和固定电极组成的，相当于一个电容器。当声波信号使振动膜片振动时，振动膜片和固定电极的距离发生变化，使电容的大小也发生相应的变化，电阻两端的电压也随之发生变化。由此，话筒就把声音信号转换成了电信号。 实验中，声波是被测量，声波传到振动膜片上，振动膜片是敏感元件，振动膜片和固定电极组成的话筒是转换元件，电源、电阻组成的是转换电路，电压表测得的电压是电学量，三个部分组成了一个传感器，如图所示。 传感器的分类 传感器的种类繁多，涉及多个学科领域，如一辆小汽车就用上多种传感器，如图所示。 根据检测量的不同，传感器可以分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。 传感器的分类 1、物理传感器：压电传感器、光电传感器、加速度传感器、温度传感器等 2、化学传感器：半导体气体传感器、湿敏传感器、离子传感器等。 利用电化学气体传感器制成的 可燃气体报警器 传感器的分类 3、生物传感器：酶传感器、细胞传感器、免疫传感器等。 利用葡萄糖生物传感器制成的 血糖仪 传感器的分类 1、温度传感器：一种将温度变化转换为电学量变化的装置，它通过测量传感器元件的电学量随温度的变化来实现温度的测量。 2、常见温度传感器的敏感元件：热敏电阻、热电偶、热双金属片等。 温度传感器的原理 热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性来实现温度测量。 如图所示，将一温度计和一连接有欧姆表的热敏电阻器放入装有水的烧杯中。烧杯被固定在铁架台上。用酒精灯给水加热。测出水中各个温度下电阻表的读数，并将实验数据填入下表中。 采用作图法分析数据，根据表中的实验数据，在右图中作出R-t图线。分析热敏电阻的阻值随温度变化的规律，可以得到什么实验结论？ 实验中选用不同的热敏电阻，可能呈现出不同的温度特性.根据温度特性的不同，热敏电阻可分为三类： 第一类，正温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而增加； 第二类，负温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而下降； 第三类，临界温度系数热敏电阻，它的阻值在很小的温度范围内急剧下降。 只要知道了热敏电阻的温度特性，即可依据电阻与温度的关系，将温度这一热学量转化为电阻阻值这一电学量。其他温度传感器也是类似的原理。 与其他温度传感器的敏感元件相比，热敏电阻灵敏度高、测量线路简单，并且体积小、稳定性好、价格便宜，主要用于小温差温度的测量、温度补偿和电路的自动调整等。电脑、空调、冰箱等电器使用的温度传感器大多是热敏电阻。 1、光敏传感器：一种能够感受光信号，并按照一定规律把光信号转化成电信号的传感器。 2、光敏传感器的敏感元件：光敏电阻。 光电传感器的原理 光敏电阻是光电传感器的敏感元件，如图所示。大多数的光敏电阻由半导体材料制成。 如图右所示，用多用电表电阻挡来研究光敏电阻的阻值变化。观察实验现象，并思考下列问题： 思考1：有光照射和无光照射时，光敏电阻的阻值有何不同？ 思考2：改变光的照射强度，光敏电阻的阻值有何变化？ 实验表明，无光照射时，光敏电阻的阻值较大；有光照射时，光敏电阻的阻值较小，并且随光照的增强而减小。光敏电阻广泛应用于照相机自动测光、室内光线控制、报警器、电子玩具、光控音乐、电子验钞机等各个领