(讲义)第5章 第1节 常见传感器的工作原理-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册(鲁科版2019)

第1节　常见传感器的工作原理 1．知道什么是传感器，知道传感器的组成和作用。 2．了解传感器将非电学量转换为电学量的一般应用模式。 3．能通过实验探究光敏电阻及热敏电阻的特性。 4．了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及应用。 知识点一　初识传感器 1．定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置。 2．功能：传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息采集和转化任务，把非电学量转化为电学量。 3．组成与结构 (1)组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成。 (2)结构：→→→ 　CPU温度是由CPU内置的温度传感器侦测到温度之后传达给BIOS显示出来，由BIOS依据温度高低来决定散热风扇的转速，CPU温度传感器的作用是什么？主要由什么元件组成？ 提示：将非电学量温度转化为电学量输出给BIOS，主要由敏感元件和转换元件组成。 1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。 (√) (2)敏感元件直接感受被测的量，并输出与被测的量有确定关系的信号。 (√) 知识点二　敏感元件 1．光敏元件 (1)光敏电阻是一种典型的光敏元件，广泛应用于光敏传感器。 (2)光敏电阻的构成物质为半导体材料，当光照射到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其阻值会发生改变。光照越强，被激发出的电子数就越多，电阻就越小。 (3)特点：光照越强，电阻越小。 2．热敏元件 (1)热敏电阻是一种常用的热敏元件，广泛应用于温度传感器。 (2)热敏电阻由半导体材料制成，其电阻有随温度的改变而改变的特性。 (3)分类 ①电阻值随温度升高而增大的是正温度系数(PTC)热敏电阻。 ②电阻值随温度升高而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。 3．磁敏元件 (1)霍尔元件是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，广泛应用于磁传感器。 (2)构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个引出端子，就成为一个霍尔元件。 产生霍尔电压的示意图 (3)霍尔电压：UH＝k。 ①其中d为霍尔元件的厚度，k为与材料有关的霍尔系数。 ②对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，则UH完全取决于磁感应强度B。 (4)作用：把磁感应强度的测量转换为电压的测量。 　家用电烤箱在达到预设温度后电热管就会停止加热，当温度降低时电热管启动再次加热直至达到预设温度，思考电烤箱是如何实现自动调控温度的？ 提示：电烤箱内置温度控制开关含有热敏元件，当温度达到预设温度时，温控开关断开，停止加热，当温度降低时，开关再次闭合。 2．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)随着光照的增强，光敏电阻的电阻值逐渐增大。 (×) (2)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 (×) 3．填空 如图所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，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，两点的电势φa＜φb，若电流增大时，则有|φa－φb|增大。 有自动控制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息。如图所示为蔬菜大棚内信息采集与自动控制示意图。试结合图中信息思考，在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？ 提示：需要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器。 考点1　传感器的原理和分类 1．传感器的核心元件 (1)敏感元件：相当于人的感觉器官，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测量的物理量，如温度、位移等。 (2)转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。 (3)转换电路：是将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流等。 2．传感器的工作原理 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、电流、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输送给控制系统产生各种控制动作。传感器的工作原理如下所示： →→→→ 3．分类 工作原理 举例 物理传感器 利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息 压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等 化学 传感器 利用化学反应识别和检测信息 气敏传感器、湿敏传感器等 生物 传感器 利用生物化学反应识别和检测信号 酶传感器、组织传感器、细胞传感器等 【典例1】　如图所示为普通冰箱内温度控制器的结构。铜质的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸气，上述材料就构成了一个温度传感器。膜盒3为扁圆形(图中显示为它的切面)，右表面固定，左表面通