5.1 认识传感器 5.2 常见传感器的工作原理 课件-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第二册

第 节 1 第五章 传感器 第1节 认识传感器 第2节 常见传感器的工作原理 1 玉兔号在月球上的工作离不开各式各样的传感器。其实，不只在科研领域，在人们的日常生活中，也会用到传感器以实现某种功能。要想知道这其中的道理，就要学习一些有关传感器的知识。 如图是农贸市场上常见的电子秤，电子秤受到重物的压力，内部的称重传感器会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。 1、什么是传感器 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。 各式各样的传感器 传感器：能把被测量的非电信息，并将其按照一定的规律转换成可用电信号的器件或装置。 2.传感器的结构 通常由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。 敏感元件 转换元件 转换电路 被测量 电学量 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。 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。 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，如电压、电流等。 3.传感器的作用 传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。 非电学量→传感器→电学量 角度 位移 速度 压力 温度 湿度 声强 光照 传感器 电压 电流 电阻 电容 【实验·探究】 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3：分析电容式话筒是怎样把声音信号转换成电信号的。 思考2：当说话的音量变化时，观察电压表的示数如何变化。 （1）敏感元件：振动膜片：直接感受声波并产生振动。 （2）转换元件：电容式话筒：由振动膜片和固定电极组成可变电容器，将振动转化为电容变化。 （2）转换电路 ①包括电源和电阻，将电容变化转换为电压变化。 ②电压表用于测量输出电压（电学量）。 【实验·总结】 2、工作原理 （1）声波输入：声波作用于振动膜片，引起其振动。 （2）电容变化：振动膜片与固定电极间距离变化 → 电容值变化。 （3）信号转换：电容变化引起电阻两端电压变化 → 声波信号被转换为电信号。 1、传感器组成 3、信息流向 声波（被测量） → 敏感元件（振动膜片） → 转换元件（话筒/可变电容） → 转换电路（电源+电阻） → 输出电压（电学量） 4、传感器的分类 传感器的种类繁多，涉及多个学科领域。 汽车上的传感器 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。 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栅状电极。 ①光敏电阻的制作 硫化镉 光强——电阻率小 光弱——电阻率大 （1）光敏电阻 5.常见传感器的工作原理 ②光敏电阻的特性与原理 实 验 观察光敏电阻特性 【实验原理】光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而不断减小，用欧姆表连接电阻，用不同强度的光照射电阻，通过观察欧姆表的示数变化，来研究光敏电阻与光强的关系。 【实验器材】光敏电阻、多用电表、导线、电源。 【实验步骤】 （1)将光敏电阻、多用电表、按图甲的方式连接好，其中多用电表置于“×100”挡； （2)先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值，并记录数据； （3)用手掌(或黑纸)遮光时，观察多用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。 （4）用强光照射（如太阳光直接照射或拿亮度较大的手电筒、小灯泡等）观察多 用电表表盘指针显示电阻阻值的情况，并记录。 【数据处理】根据记录数据分析光敏电阻的特性。 环境 1 2 3 4 5 6 7 阻值（Ω） （1）光敏电阻在暗环境下电阻值很大，随着光强的增加阻值不断减小，强光照射下电阻值很小; 【实验结论】 （2）光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 原因(工作原理)： 硫化镉（CdS）是一种半导体材料，无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。 作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 光学量（光照强度） → 电学量（电阻） 材料：制作光敏电阻的材料一般为半导体。如：硫化镉。 光敏电阻工作原理： 光照增强 半导体材料中的载流子（自由电子和空穴） 浓度增加 材料的电阻率减小 ③光敏电阻的应用 ——计数器 A是发光仪器 B是接收光信号的仪器 ①无物品、有光照、电阻小、电压低 ②有物品、挡光、电阻大、电压高 这种高低交替变化的信号经过处理，就会转化为相应的数字，实现自动计数的功能。 热敏电阻 特性：热敏电阻的阻值会随着温度的升高而_____，具有负温度系数。 减小 ①正温度系数热敏电阻： 温度升高,电阻增大。 ②负温度系数热敏电阻： 温度升高,电阻减小。 ③临界温度系数热敏电阻： 阻值在很小的温度范围内急剧下降。 （2）热敏传感器 观察热敏电阻特性 实 验 应用实例——低油位报装置 ①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。 给热敏电阻通以一定的电流，热敏电阻会发热。 ②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。 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。 液位报警示意图 油位高→电阻大→灯不亮 油位低→电阻小→灯亮 洛伦兹力等于电场力： 电流微观表达式： 联立得： 令 （3）磁敏传感器——霍尔元件 在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极，就成了一个霍尔元件。 霍尔传感器应用实例: 永久磁铁和 霍尔元件 ①电动车加速器 位置→磁场→电压→控制器控制车速 ②霍尔无刷电动机(直流电源) 位置→ → → 三个霍尔 传感器 三个 电压 控制器控制 三个线圈 中的电流 1.关于传感器工作的一般流程，下列说法中正确的是（　　） A.非电学量→敏感元件→转换电路→电学量→转换器件 B.电学量→敏感元件→转换电路→转换器件→非电学量 C.非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量 D.非电学量→转换电路→转换器件→敏感元件→电学量 C 2.如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻，L为小灯泡，当温度降低时(　　) A．R1两端的电压增大 B．电流表的示数增大 C．小灯泡的亮度变强 D．小灯泡的亮度变弱 C 3、(多选)电动自行车是一种使用广泛的交通工具,其速度控制是通过转动右把手实现的,这种转动把手称为“霍尔转把”,属于传感器非接触控制。转把内部有永久磁铁和霍尔器件等,截面如图甲。永久磁铁的左、右两侧分别为N、S极,开启电源时,在霍尔器件的上、下面之间加一定的电压,形成电流,如图乙。随着转把的转动, 其内部的永久磁铁也跟着转动,霍尔器件能输出控制 车速的霍尔电压,已知电压与车速的关系如图丙。下 列关于“霍尔转把”的说法正确的是（ 　） A.为提高控制的灵敏度,应使永久磁铁的上、下端分别为N、S极。 B.按图甲顺时针转动电动车的右把手(手柄转套),车速将变快。 C.图乙中从霍尔器件的前、后面输出控制车速的霍尔电压。 D.若霍尔器件的上、下面之间所加电压正、负极性对调,将影响车速控制。 甲 丙 乙 BC 1.传感器 传感器是能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断。 2.传感器的分类：热敏传感器、光敏传感器、磁敏传感器 3.热敏传感器：将温度变化转换为电学量。 4.光敏传感器：把光照强弱这个光学量转换为电阻。 5.磁敏传感器：霍尔效应。 $