5.1 传感器及其工作原理　5.2 传感器的应用 课件-2025-2026学年高二上学期物理粤教版选择性必修第二册

第五章　传感器 第一、二节 传感器及其工作原理传感器的应用 1 了解传感器的分类。 知道什么是传感器，知道传感器的组成。 02 01 知道温度传感器、光电传感器的原理及应用。 03 重点 04 了解传感器在生活、工业、农业及航空航天中的应用。 重点 难点 01 传感器 请同学们观看视频，初步了解生活中无处不在的传感器 情境导入 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 传感器 定义： 角度 位移 速度 压力 温度 湿度 声强 光照 电压 电流 电阻 电容 非电学量 → 传感器 → 电学量 传感器 要点归纳 电学量便于电学仪表显示和用于自动控制，所以传感器通常是将非电学量转化为电学量，这是物理学中转化法的典型体现。把非电学量转化为电学量，才可能实现信息采集、处理、储存和传输的自动化与智能化，这是实现自动控制、数字化信息传输的基础。接下来，我们看传感器的组成 5 传感器的组成 敏感元件 转换元件 转换电路 被测量 电学量 相当于人的感觉器官，直接感受被测量，并将其变换成与被 也称为传感元件，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输出 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、 一般由这三部分组成 测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等 敏感元件： 转换元件： 转换电路： 电流等。 要点归纳 6 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。 当说话的音量变化时，电压表的示数不断变化 观察与思考 电容式话筒的工作原理 固定电极 振动膜片 C= C= 要点归纳 8 电容式话筒的工作原理 固定电极 振动膜片 声波压力 声波压力 d 变化 C= C 变化 C= Q 变化 充、放电电流 R两端电压变化 要点归纳 9 电容式话筒的工作原理 敏感元件 转换元件 转换电路 被测量 电学量 声波 振动膜片 振动膜片和固定电极组成的话筒 电源、电阻组成的电路 要点归纳 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。 要点归纳 传感器的分类 1.物理传感器: 主要利用被测物理量（如压力、温度、位移、亮度等）变化时，敏感元件的电学量（如电阻、电压、电容等）发生明显变化的特性制成, 常见的如图所示 物理传感器开发早、发展快、品种多、应用广，目前正向集成化、系列化和智能化方向发展。 要点归纳 传感器的分类 2.化学传感器: 主要是基于化学反应的原理，将化学物质的成分、浓度等化学信息转化为电学量的传感器 化学传感器广泛应用于环境监测、火灾报警、气体检测、医疗护理等领域。 半导体气体传感器 利用电化学气体传感器制成的 可燃气体报警器 负离子传感器 要点归纳 13 传感器的分类 3.生物传感器: 一种基于酶、抗体和激素等分子识别功能，并将其转换为电信号进行检测的传感器 生物传感器与物理传感器和化学传感器的最大区别在于感受器中含有生命物质。这类传感器在医疗血液分析、农药残留物检测、发酵工业等领域有广泛的应用 谷氨酸—葡萄糖双功能分析仪 利用葡萄糖生物传感器制成的血糖仪 要点归纳 14 1.关于传感器，下列说法正确的是 A.所有传感器都是由半导体材料制成的 B.金属材料也可以制成传感器 C.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的 D.水银温度计是一种传感器 √ 传感器材料分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料等，A错误，B正确；传感器是通过把非电学量转换成电学量来传递信号的，C错误；水银温度计根据热胀冷缩来测量温度，不是传感器，D错误。 例题 2. (2024·肇庆市高二期中)传感器的应用越来越广泛，以下关于传感器在生产生活中的实际应用，说法正确的是 A.宾馆的自动门能“感受”到人走近，主要利用的是声音传感器 B.电梯能对超出负载作出“判断”，主要利用的是力传感器 C.交警使用的酒精测试仪是一种物理传感器，是靠吹气的压力来工作 D.红外测温枪向人体发射红外线，从而测量人体温度 √ 例题 宾馆的自动门能“感受”到人走近，是因为安装了红外线传感器，从而能感知红外线，导致门被打开，A错误； 通过压力传感器，可以使电梯判断是否超出负载，B正确； 酒精测试仪是气敏传感器，是靠化学反应来工作的，故C错误； 红外测温枪是通过接收人体向外辐射的红外线，从而测量人体温度，D错误。 02 温度传感器的原理 温度传感器的原理 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： 有热敏电阻、热电偶、热双金属片等 热敏电阻 热电偶 热双金属片 要点归纳 温度是最重要的环境参数之一。在生活、生产和科研领域中，温度测量占有重要的地位。 19 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的。 温度传感器的原理 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。 【实验探究】 热敏电阻与温度的关系 观察与思考 下面以热敏电阻为例研究温度传器的原理。 20 分析实验数据 温度/oC 18 24 28 32 36 40 电阻值/k 15.0 11.1 8.7 7.1 5.5 4.7 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？ 实验结论： 实验中所测热敏电阻的阻值随温度的上升而减小 要点归纳 从实验中选出几组数据进行分析，会得出怎样的结论 21 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： 【实验·总结】 ①正温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而增加 ②负温度系数热敏电阻，它的阻值随温度的上升而下降 ③临界温度系数热敏电阻，它的阻值在很小的范围内急剧下降 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。 要点归纳 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 22 将多用电表的选择开关置于电阻挡，再将多用电表的两支表笔与负温度系数热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？ 答案　由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减小，多用电表指针将向右偏。 讨论与交流 A.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量温度，测量范围大， 　稳定性好 B.图线a是金属热电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显 C.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，用它来测量温度，测量范围大， 　稳定性好 D.图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显 3.(多选)金属热电阻和热敏电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，所以都可以用于制作温度传感器。它们的电阻随温度的变化规律如图所示。下列说法正确的是 √ √ 例题 金属热电阻的电阻率会随温度的升高而增大，所以电阻也会随温度的升高而增大，为图线a，由于它的电阻与温度呈线性关系，随温度的变化不是非常明显，所以用它来测量温度，测量范围大，稳定性好，故选项A正确，选项B错误； 图线b是热敏电阻的电阻随温度变化的曲线，它的电阻随温度的变化非常明显，测温范围小，故选项C错误，选项D正确。 4.某同学设计的散热排风控制电路如图所示，M为排风扇，R0是半导体热敏电阻，其阻值随温度升高而减小，R是可变电阻。控制开关电路具有下列特性：当电压表示数小于某一数值U时，控制开关处于断路状态；当电压表示数大于U时，控制开关接通电路，M开始运转。电路两端的电压U0恒定，下列说法中正确的是 A.环境温度升高时，电压表示数变小 B.可变电阻R阻值调大时，电压表示数变大 C.可变电阻R阻值调小时，排风扇开始工作的临界温度降低 D.若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，电路仍能正常工作 √ 例题 当环境温度升高时，半导体热敏电阻R0阻值减小，则电路中的电流增大，可变电阻R两端的电压增大，电压表示数变大，故A错误； 可变电阻R阻值调大时，可变电阻R的分压变大，则电压表示数变大，故B正确； 可变电阻R阻值调小时，电压表示数变小；需要升高临界温度减小热敏电阻阻值，使电压表示数大于U，控制开关接通电路，M开始运转，排风扇开始工作，故C错误； 若用金属热电阻代替半导体热敏电阻，当温度升高时，其阻值增大，导致电压表示数变小，则开关会处于断开状态，起不到散热排风的作用，故D错误。 03 光电传感器的原理 是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。 光电传感器的原理 光电传感器： 光敏电阻 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。 硫化镉 光敏电阻与光照强度有什么关系呢？ 要点归纳 实验探究：光敏电阻的特性 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？ 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 改变光的照射强度，光敏电阻的阻值随光照的增强而减小 光照强度 无光照射 光照较弱 光照较强 电阻/ 8000 1200 200 观察与思考 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域. 30 常见光电传感器的敏感元件除了光敏电阻外，还有光电池、光敏晶体管等。根据它们的电阻特性即电阻与光照强度的关系，可以将光照强度这一光学量转化为电阻这一电学量，这就是光电传感器的原理。 光电传感器的原理 光电池 光敏晶体管 要点归纳 31 在工厂生产车间的生产线上安装计数器后，就可以准确得知生产产品的数量，如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中R1为光敏电阻，R2为定值电阻。此光电计数器的基本工作原理是什么？ 答案　当光被产品挡住时，R1电阻增大，电路中电流减小，R2两端电压减小，信号处理系统得到低电压，每通过一个产品就获得一次低电压，并计数一次。 讨论与交流 32 5. (多选)(2024·揭阳市高二期中)为了助力未来乡村建设，小明设计了如图所示的农村光控路灯电路，以实现自动亮度控制。图中A、B为相同灯泡，电源电动势为E，内阻为r，Rt为光敏电阻，其阻值随光照强度增加而减小。下列判断正确的是 A.外界光照强度增加时，理想电流表示数减小 B.外界光照强度增加时，通过R0的电流增加 C.外界光照强度增加时，A灯、B灯均变暗 D.该电路不可用于实际光控路灯中，因为外界光照强度增加时，电源消 　耗的总功率增大 √ √ √ 例题 外界光照强度增加时，光敏电阻阻值减小，电路中的总电阻减小，由I总＝，可知电路中总电流增大，理想电流表示数增大，故A错误； 电路中总电流增大，由U内＝Ir，可知电源内电压增大，由E＝U内+U外，可知路端电压减小，所以灯泡A中的电流IA减小，由I总＝IA+IR0，可知外界光照强度增加时，通过R0的电流增加，故B正确； 外界光照强度增加时，灯泡A中的电流IA减小，A灯变暗；由于通过R0的电流增加，所以R0两端的电压增大，又外电压减小，因此B灯两端的电压减小，所以B灯变暗，故C正确； 外界光照强度增加时，电路中总电流增大，电源消耗的总功率P＝EI总增大，所以该电路不可用于实际光控路灯中，故D正确。 04 传感器的应用 传感器的应用领域极其广泛。大到宇宙飞船、人造地球卫星、工业自动控制等，小到家用电器、电动玩具等，都有它的身影。 情境导入 生活中的传感器 洗衣机、电熨斗用的传感器 (1)电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等都要用到温度传感器。 (2)自动门、家电遥控器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等，均使用了红外线传感器。 (3)照相机中的光敏传感器、家用便携式电子秤的压力传感器。 要点归纳 随着家用电器的普及，传感器进人了千家万户.电饭煲、电冰箱、微波炉、空调机、消毒碗柜等与温度控制相关的家用电器，几乎都要用到温度传感器;自动门、家电遥控器、非接触红外测温仪以及防盗、防火报警器等，均使用了红外线传感器;此外还有照相机中的光敏传感器、家用便携式电子秤的压力传感器等.传感器的应用改变了我们的生活，使生活逐步走向智能化. 37 现代在农业生产中，传感器广泛应用于耕种、栽培、收割、运输、排灌等过程的自动控制 温度传感器：自动控温，使我们在寒冷的冬天仍然能够享用新鲜的蔬菜 湿度传感器：判断农田的水分蒸发情况，自动执行供水或停水。 农业生产中的传感器 具有自动控制功能的蔬菜大棚 农田中的自动喷管系统 要点归纳 在农业生产中，传感器广泛应用于耕种、栽培、收割、运输、排灌等过程的自动控制.这样既解放了人力，又实现了最优化管理.无人管理的自动喷灌系统，利用湿度传感器判断农田的水分蒸发情况，自动执行供水或停水.自动化温室种植是现代化农业生产方式之一，在温度传感器的帮助下实现自动控温，使我们在寒冷的冬天仍然能够享用新鲜的蔬菜. 现代粮库采用温度传感器和湿度传感器，可对上百个储粮点进行温度和湿度监测.微机测试系统根据检测到的温度和湿度数据，对通风装置进行自动控制，有效地减少粮库里的霉变. 38 在工业生产中，由于传感器的大量使用，实现了生产的自动化或半自动化，大大减轻了人们的劳动强度，同时提高了产品质量，降低了产品成本。 焊接机器人 安全监控系统 视觉传感器：测量与焊缝的距离，识别焊件的形状、颜色通过力学传感器完成零件的抓取 温度传感器：检测焊道附近母材的温度 电弧传感器：检测焊接电压和电流，监测和控制焊接过程的质量等 工业生产中的传感器 要点归纳 工业传感器的制造和使用是判断一个国家工业体系是否完善的关键性指标之一.相对民用来说，用于智能制造的工业传感器在精度、稳定性、抗震动和抗冲击性等方面的要求更为苛刻.在高端制造领域，我国传感器的国产化率还较低.智能制造所需的某些特殊部件，如耐高温、高压的传感器，国内产品的可靠性、稳定性与国外相比还有些差距.但这也从另一个角度说明，用于智能制造的工业传感器领域具有十分广阔的发展前景. 39 航天航空中的传感器 在航天航空技术领域，大量的传感器被应用于运载火箭、载人飞船、卫星的遥测和遥控中，对控制航天器的姿态、接收和发送信息、收集太空数据等起着关键性的作用。 火箭发射 航天员 哈勃空间望远镜 应用于航天航空技术领域的传感器： 压力传感器、高精度光学传感器、生理传感器 要点归纳 6.(2025·广州市番禺区期中)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是 A.0到t1时间内，升降机一定静止 B.t1到t2时间内，升降机可能做匀加速直线运动 C.t1到t2时间内，升降机运动时的加速度在变化 D.t2到t3时间内，升降机可能向下匀速运动 √ 也可能做匀速运动 FN－mg＝ma F R I I R F F= FN a在变化 t2到t3 , I2不变 ,R不变，F不变， I2 > I1， F > mg, a向上，升降机匀加速上升或匀减速下降 例题 传感器的工作原理 物理传感器 传感器 温度传感器的原理 光电传感器的原理 传感器的分类 化学传感器 生物传感器 传感器的应用 敏感元件 转换元件 转换电路 被测量 电学量 温度变化 电学量 传感器 光信号 生活 电学量 农业生产 工业生产 航空航天 传感器 课堂小结 42 本课结束 Keep Thinking! $