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§2、3 常见传感器的工作原理及应用
高二物理（人教版2019）
选择性必修 第二册
第五章 传感器
新课引入
我们知道，传感器可以感受光强、温度、力、磁等非电学量，并把它们转换为与之有确定对应关系的电学量输出。那么，常见的传感器是怎样感知非电学量，并将其转换为电学量的呢？利用不同的敏感元件制成的各种传感器又有哪些应用呢？
思考与讨论：
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——载流子增多，导电性变好
光弱——载流子极少，导电性能不好
光敏电阻
一、光敏电阻
一、光敏电阻
2.实验：观察光敏电阻特性
一、光敏电阻
把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
空穴
自由电子
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
温度提高，一些电子挣脱原子核的束缚变为自由电子。
3.为什么半导体材料对温度更敏感？
而电子原来的位置就变为空穴，这些空穴相当于带正电荷的粒子
一旦半导体接进电路，形成电场，自由电子沿着空穴前进，相当于正负电荷都在移动形成电流
温度越高，挣脱的自由电子就越多，导电能力越强。
E
一、光敏电阻
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
一、光敏电阻
一、光敏电阻
4.光敏电阻的应用
——自动计数装置
A是发光仪器
B是接收光信号的仪器
无物品、有光照、电阻小、电压低
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。
一、光敏电阻
一、光敏电阻
1.金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。
2.热敏电阻：有些半导体在温度上升时导电能力增强。用半导体材料制作热敏电阻。
热学量 → 电学量
二、金属热电阻和热敏电阻
金属热电阻
铂电阻
电阻—温度特性曲线
R
T
o
常用的一种热电阻是用铂制作的，可用来做 电阻温度计。
二、金属热电阻和热敏电阻
金属热电阻的应用：电阻温度计
热敏电阻的应用：低油位报警装置
二、金属热电阻和热敏电阻
油位高→电阻大→灯不亮
油位低→电阻小→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。
①金属电阻应变片
1.原理与特性
拉力→L变长→S变小→电阻变大
压力→L变短→S变大→电阻变小
金属的电阻应变效应
当单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称为压阻效应。
三、电阻应变片
力学量 → 电阻的电学量
2.应用实例——电子秤
电子秤使用的测力装置：力传感器
常见的一种力传感器：
应变式力传感器
应变片
金属梁
三、电阻应变片
三、电阻应变片
汽车称重的地磅
金属梁
应变片
应变片
F
在梁的自由端施力F，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，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。
2.应用实例
如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。如果测出了电容的变化，就能知道物体位置的变化。用什么方法可以检测电容的变化？电容式位移传感器能把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量。
思考与讨论
根据电容的定义式 ，可知，给电容器带上一定的电荷，然后用静电计来检测两极板间电势差的变化，就可判断电容的变化。
位移力学量 → 电容的电学量
（1）改变S：测量角度θ 、液面高度h等
定片
动片
θ
电介质
金属芯线
导电液体
角度、深度
位移、压力
电容
传感器
电容
（2）改变d：测量压力F
待测压力F
固定电极
可动电极
（3）改变ε：测量位移x
电容器极板
电介质板
被测物体
电容式位移传感器
x
隔离膜压力传感器
陶瓷压力传感器
电子秤
洛伦兹力等于电场力：
电流微观表达式：
联立得：
令
拓展学习
★霍尔传感器应用实例:
永久磁铁和
霍尔元件
电动车加速器
位置→磁场→电压→控制器控制车速
拓展学习

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