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常见传感器的工作原理及应用
普通高中教科书物理人教版
选择性必修第二册 第五章 传感器
引入新课
演示实验 干簧管
演示实验 音乐茶杯
演示实验 声光控开关
生活中的实例
传感器的概念、作用及工作原理
探究实验 （分组) 探究光敏电阻的特性
探究实验 （分组) 探究金属热电阻和热敏电阻的特性
霍尔元件
实例分析以及思考题
总结
课堂练习及作业
目录
1.电饭煲为什么能自动加热和保温而不会使饭烧焦？
2.电冰箱、空调为什么可以自动控制电机的运转而保持恒温？
3.全自动洗衣机为什么可以自动完成洗衣过程？
4.电梯门为什么不夹人？
5.自动门为什么会自动开启？
6.怎样实现自动通风、自动喷水、自动报警？
…………
这一切，都要归功于现代传感器技术的发展和应用。
问题
第2节 常见传感器的工作原理及应用
科学技术的发展推动传感器技术的进步
上世纪实现的工业生产的自动化，几乎主要依靠传感器来监视和控制生产过程的各个参数，使设备和系统正常运行在最佳状态，保证生产的高效率和高质量。
“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发达、自动化程度越高，对各种传感器的需求越大..
资料
第2节 常见传感器的工作原理及应用
信息采集的关键是传感器，传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，所以传感器技术已成为现代信息技术的重要支柱之一，在当代科学技术中占有十分重要的地位，是高新技术竞争的核心技术之一。其开发研究和生产能力与应用水平直接影响到科学技术的发展和应用。
各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键之一。我国从20世纪80年代以来也将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。
传感器作为向自然界获取信息的工具，几乎渗透到科学技术、社会生产和人民生活的每一个角落，彩电、冰箱、空调……
资料
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
干簧管控制电路的通断
演示实验
演示实验：
小盒子 A 的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，但是把磁铁 B 放到盒子上面灯泡就发光，把磁铁移走，灯泡熄灭。
盒子里有什么装置？
第2节 常见传感器的工作原理及应用
盒子里的奥秘
原因
原因：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作用。
总结：磁场这种非电信号可以实现电路的自动控制
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
出示一只音乐茶杯，茶杯平放桌上时，无声无息，提
起茶杯，茶杯边播放悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。
音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？
音乐茶杯
用书挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐
茶杯受光照强度的控制。
光照变化（光强变化） 光照时光敏电阻阻值减小
电路接通，音乐响起。
演示实验
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
声光控开关控制电路的通断
①在光照情况下，声音不能控制电灯点亮。
②关闭教室内的光源或其它方法降低光照，声音能“打开”电灯，并延时几秒后熄灭。
③用物体遮挡光眼处，在光照情况下声音能控制电灯。
楼梯道的电灯，晚上，有人经过楼道时，开关自动接通，灯就亮；白天，不管是否有人经过，开关都是断开的，灯总是不亮，这种开关用的就是声光控开关
总结：声、光这种非电信号可以实现电路的自动控制
演示实验
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
请举一些生活中的实例
实例
力信号
电信号
声信号
电信号
第2节 常见传感器的工作原理及应用
请举一些生活中的实例
实例
光信号
电信号
声信号
电信号
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
总结
1、什么是传感器
传感器是指这样一类元件：它能感受例如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们转换成电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。从而能方便地进行测量、传输、处理和控制。
第2节 常见传感器的工作原理及应用
广义上讲——传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。
简单地说——传感器是将外界信号转换为电信号的装置。
所以传感器由敏感元器件感知元件和转换器件（将敏感元件的输出量转换成适宜传输和测量的量的器件，如电学量）两部分组成；有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。
总结
1、什么是传感器
第2节 常见传感器的工作原理及应用
总结
2、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
第2节 常见传感器的工作原理及应用
传感器：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
总结
3、传感器的工作原理
第2节 常见传感器的工作原理及应用
第2节 常见传感器的工作原理及应用
实例
思考：小汽车里面各种非电学量转换为电学量的情况。
为了制作传感器，需要一些元器件，下面我们就来看几个实际的例子。
实例
形形色色的传感器
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
比较光敏电阻在不同光照条件下电阻之不同
分组实验
第2节 常见传感器的工作原理及应用
根据演示实验思考问题：
（1）光敏电阻的电阻率与什么有关？
（2）光敏电阻受到光照时会发生什么变化？怎样解释？
（3）光敏电阻能够将什么量转化为什么量？
（4）如下图所示，随着光照强度的增加，多用表的指针将如何偏转？
Ω
将光敏电阻和多用表的欧姆档相连，随着
光照不同，表有何变化？
思考
比较光敏电阻在不同光照条件下电阻之不同
第2节 常见传感器的工作原理及应用
（1）光敏电阻的电阻率与光照强度有关。
（2）光敏电阻受到光照时电阻会变小。硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照增强，载流子增多，导电性能变好。
（3）光敏电阻能够将光学量转化为电阻这个电学量。
（4）随着光照强度的增加，多用表的指针偏角逐渐变大。
结论
第2节 常见传感器的工作原理及应用
视频
比较光敏电阻在不同光照条件下电阻之不同
第2节 常见传感器的工作原理及应用
例1.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．此光电计数器的工作原理是（ ）
A．当有光照射R1时，信号处理系统获得高电压
B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
原理
工作原理：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。光敏电阻是由硫化镉制成的，硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
科学漫步
第2节 常见传感器的工作原理及应用
光敏电阻
总结
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
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
金属热电阻和热敏电阻
将热敏电阻和多用表的欧姆档相连，把热敏
电阻放到剩水的杯中，向杯里倒入热水
分组实验
第2节 常见传感器的工作原理及应用
根据演示实验并结合教材98页有关内容，思考问题：
（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系是否相同？
（2）热敏电阻和金属热电阻各有哪些优缺点？
（3）热敏电阻和金属热电阻能够将什么量转化为什么量？
（4）随着热水倒入多少的不同，欧姆表有何变化？
思考
金属热电阻和热敏电阻
第1节 传感器及其工作原理
第2节 常见传感器的工作原理及应用
金属热电阻和热敏电阻
（1）金属导体与半导体材料的导电性能与温度的变化关系不相同。
金属导体的导电性能随温度升高而降低
半导体材料的导电性能随温度升高而变好
（2）热敏电阻灵敏度高，但化学稳定性较差， 测量范围较小；金属热电阻的化学稳定性较好，测量范围较大，但灵敏度较差。
（3）热敏电阻和金属热电阻能够将温度这个热学量转化电阻量这个电学量。
（4）随着水温升高，多用表的指针偏角逐渐变大
结论
第2节 常见传感器的工作原理及应用
热敏电阻的阻值会随着温度的升高而____
减小
１）特性：
金属热电阻的阻值会随着温度的升高而_____
增大
总结
金属热电阻和热敏电阻
1.金属电阻
2.热敏电阻
第2节 常见传感器的工作原理及应用
2）异同点:
金属热电阻化学稳定性好、测量范围大、但是灵敏度差。
热敏电阻化学稳定性差、测量范围小、但是灵敏度好。
总结
金属热电阻和热敏电阻
热敏电阻能够把 温度这个热学量
转换成为电阻这个电学量
第2节 常见传感器的工作原理及应用
思考
电容式位移传感器
电容式位移传感器能够把物体_____这个力学量转换为_____这个电学量
位移
电容
如图，当被测物体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？
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
霍尔元件
原理
背景知识：霍尔元件是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E、F、M、N而成（如图所示）。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压U。
1879年美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。人们把这样的现象称为霍尔效应，所产生的电势差叫霍尔电压。人们利用霍尔效应做成了霍尔元件。
第2节 常见传感器的工作原理及应用
探究
霍尔元件上的电压U与电流I、磁感应强度B的关系
设载流子的电荷量为q，沿电流方向定向运动的平
均速率为v，单位体积内自由移动的载流子数为n，垂直电
流方向导体板的横向宽度为a，则电流的微观表达式为
①
载流子在磁场中受到的洛伦兹力
载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差
载流子受到的电场力为
当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即 ②
由①②式得 ③
式中的nq与导体的材料有关，对于确定的导体，nq是常数。
令 则上式可写为 ④
第2节 常见传感器的工作原理及应用
霍尔元件能够把___________这个磁学量转换为____这个电学量
磁感应强度
电压
结论
霍尔元件
第2节 常见传感器的工作原理及应用
1、自动排气扇，其中A为水汽传感器，当水汽的浓度增大时，其内部电阻减小
水汽浓度———电流———控制电路通断
非电学量———传感器———电学量———控制电路通断
实例分析
第2节 常见传感器的工作原理及应用
2、如图：自来水厂在河中的取水电路，当水中的离子浓度较低时，取水电动机保持工作状态，当水中离子浓度增大到一定程度时，取水电动机停止工作。
实例分析
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
1．制作传感器需要的敏感元件有
光敏电阻、热敏电阻与金属热电阻、霍尔元件等。
2．光敏电阻的阻值随光的强度增大而减小。光敏电阻将光学量转化为电阻这个电学量。
3．热敏电阻的阻值随温度的升高而减小；金属热电阻的阻值随温度的升高而增大。热敏电阻或金属热电阻将温度这个热学量转化为电阻这个电学量。
4．霍尔元件的霍尔电压公式为：
霍尔元件把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
5．电容式传感器能够把位移这个力学量转化为电容这个电学量
小结
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
用如图示的电磁继电器设计一个由光敏电阻来控制路灯的实验电路。要求是：光暗时灯亮，光亮时灯灭。可供选择的器材如下：光敏电阻、小灯泡、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。
e
c
a
b
解：光敏电阻受到光照射时电阻变小 ，将光敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b端，如图示：
将交流电源与路灯接入c、e之间。
220V
光暗时光敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，ce处于闭合，灯亮。
光亮时，光敏电阻值小， ab间电流大，磁性强，吸住衔铁，电路ce处断开，灯灭。
思考题
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
温度传感器
阅读材料
第2节 常见传感器的工作原理及应用
红外线传感器——实现无接触测量
应用领域：
航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、自动门、生物探测器……
第2节 常见传感器的工作原理及应用
我国第一种实用化的生物传感器—SBA-30型乳酸分析仪
SBA-70型生物传感
在线分析系统
生物传感器——用以检测和识别生物体内化学成分。
应用领域：
最典型的应用是在医疗卫生行业，医院里各种进行生化分析的仪器之中……
第2节 常见传感器的工作原理及应用
现代传感器既是高科技的结晶，又在高科技中起举足重轻的作用。
一辆现代化汽车所用传感器达数十种……
哥伦比亚号
如美国‘阿波罗’登月飞行器每个安装的各种传感器达3200个 。
在现代的飞机、汽车、甚至家用电器也是如此….
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
题1、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（ ）
A．当有光照射 R1时，信号处理系统获得高电压
B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
AC
课堂练习题
第2节 常见传感器的工作原理及应用
题2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件，将这三只元件分别接入如图所示电路中的A、B两点后，用黑纸包住元件或者把元件置入热水中，观察欧姆表的示数，下列说法中正确的是（ ）
A．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是热敏电阻
B．置入热水中与不置入热水中相比，欧姆表示数不变化，这只元件一定是定值电阻
C．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数变化较大，这只元件一定是光敏电阻
D．用黑纸包住元件与不用黑纸包住元件相比，欧姆表示数相同，这只元件一定是定值电阻
AC
第2节 常见传感器的工作原理及应用
题3、 如图所示，有电流I流过长方体金属块，金属块宽度为d，高为b，有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，金属块单位体积内的自由电子数为n，试问金属块上、下表面哪面电势高？电势差是多少？
下表面
第2节 常见传感器的工作原理及应用
题4.氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测，它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化．在如图甲所示的电路中,不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻,这样,电压表的指针位置就与一氧化碳浓度有了对应关系,观察电压表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标.有一种氧化锡传感器，其技术资料中给出的是电导(即电阻的倒数)-CO浓度曲线，
如图乙所示．在下列表示一氧化碳
浓度c与电压表示数U0之间关系的
图象中正确的是 ( )
V
保护电阻
氧化锡
传感器
R0
R
甲
0
CO浓度
电导
乙
0
U0
c
U0
c
U0
c
0
U0
c
A
C
D
B
0
0
D
解见下页
第2节 常见传感器的工作原理及应用
解：
一氧化碳浓度c增大，电导增大，电阻R传减小，
U0增大, 一氧化碳浓度c与电压表示数U0之间关
系是正相关关系，但不是正比关系。
选项D正确。
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
传感器是用以完成视觉、听觉、触觉功能的。
1.物理传感器：
——若接受的是光、声波、压力、温度等物理信息，这样的传感器称为物理传感器。
2.化学或生物传感器：
——若接受的是嗅觉、味觉等信息，这样的传感器称为化学或生物传感器。
目前最常用的传感器有：温度传感器、红外线传感器、生物传感器等。
此外还有压力传感器、气体传感器、味觉传感器等。
总结
第2节 常见传感器的工作原理及应用
1、传感器的概念：
2、传感器的工作原理：
3、敏感元件：
（1）光敏电阻 （光电传感器）
（2）热敏电阻和热电阻 （ 温度传感器）
（3）电容式传感器 （位移传感器）
（4）霍尔元件 （磁传感器）
非电学量
敏感元件
转换电路
电学量
非电学量 电学量，或转换为电路的通断。
总结
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第2节 常见传感器的工作原理及应用
【课后延伸】
想想“我的一天”会遇见哪些传感器呢？
请同学们课后通过查询资料或者向身边的内行人请教，了解我们生活中都在哪些方面使用了哪些传感器以及它们的工作原理，写成文字稿，下节课进行交流。
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作业
1．观察与思考：日常生活中哪些地方用到了传
感器，它们分别属于哪种类型的传感器，它们
的工作原理如何？
2．实验设计：用热敏电阻、继电器等器材设计
一个火警报警器。
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第2节 常见传感器的工作原理及应用

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