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第五章 传感器
人教版（2019）选修 第二册
5.2 常见传感器的工作原理及应用
1.认识传感器是把非电学量转换为电学量的装置，其主要元件为敏感元件。2.了解光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻和电阻应变片等材料的物理特性，知道利用其特性可以制作传感器的敏感元件。
3.利用电容的结构改变影响电容的性质，设计电容式位移传感器。
学习目标
导入新课
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？
1. 特性
光敏电阻对光敏感。当改变光照强度时，电阻的大小也随着改变。一般随着光照强度的增大电阻值减小。
2. 作用
一、光敏电阻
光照强弱
光敏
电阻
电阻
3.光敏电阻的应用——计数器
A为发光仪器
B为接收光信号的仪器（光敏电阻为主）
无物品——电压低
有物品——电压高
高低交替变化的信号经过处理，实现自动计数的功能。
A
R1
R2
信号处理系统
B
思考：传送带上没有物品遮挡光信号时，供给信号处理系统的电压是高还是低？
2.作用
材料 特性
金属热电阻 金属
热敏电阻 半导体
1金属热电阻
2热敏电阻
1.特性
温度t↑，电阻R↑
（有些）温度t↑，电阻R↓
二、金属热电阻和热敏电阻
温度
金属热电阻
热敏电阻
电阻
例1 温度传感器广泛应用于家用电器中，它是利用金属热电阻的阻值随温度变化的特性来工作的。图甲所示为某装置中的传感器工作原理图，已知电源的电动势E=3.0V，内电阻不计，G为灵敏电流表，其内阻Rg保持不变；R为金属热电阻，其阻值随温度的变化关系如图乙所示。闭合开关S，当R的温度等于20℃时，电流表示数I1=2.0mA；当电流表的示数I2=1.0mA时，金属热电阻的温度是 （　　）
A．40℃ B．60℃ C．80℃ D．100℃
C
3.应用
例2 已知一热敏电阻当温度从10℃升至60℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系，部分电路如图所示。⑴实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA，则此时热敏电阻的阻值为 kΩ（保留2位有效数字）。
1.8
实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图（a）所示；
⑵将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2kΩ，由图（a）求得，此时室温为 ℃（保留3位有效数字）；
25.5
⑶利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路的一部分如图（b）所示。图中E为直流电源（电动势为10V，内阻可忽略）；
当温度升高时热敏电阻的电压将 （填升高或降低），当图中的输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器（图中未画出）报警，则图中 （填“R1”或“R2”）应使用热敏电阻，若要求开始报警时环境温度为50℃，另一固定电阻的阻值应为 kΩ（保留2位有效数字）。
1.2
降低
R1
1.特性（工作原理）
材料 特性(工作原理)
金属电阻应变片 金属
半导体电阻应变片 半导体
2.作用
压阻效应
电阻应变效应
三、电阻应变片
形变
电阻
应变片
电阻
3.金属电阻应变片应用
电子秤
卷扬机牵引力测量
实例：
应变式力传感器——测量力
组成：
探究：应变片测力原理
金属梁、电阻应变片
原理
F↑
弯曲形变↑
拉伸 R↑
压缩 R↓
电压差值↑
电流恒定
某个力引起金属电阻应变片形变量的变化，从而引起两个应变片电压差值的变化，那么通过测定这个电压差，就能确定这个力的大小。
1.原理
定片
动片
θ
⑴目标：测量角度θ、液面高度h等
电介质
金属芯线
导电液体
思考：下面实例分别改变电容的哪个决定因素？
改变极板正对面积S
四、电容式传感器
改变板间距d
⑵目标：测量压力F
待测压力F
固定电极
可动电极
⑶目标：测量位移x
改变εr
2.作用
角度、深度、位移、压力、声音……
电容
传感器
电容
待测压力F
固定电极
膜片电极
针对练 (多选)传感器是一种采集信号的重要器件，如图是一种测定压力的电容式传感器，当待测压力F作用于可动膜片产生变形，引起电容的变化，若将电容器、灵敏电流计和电源串联接成闭合电路，那么 （ ）
A.当F向上压膜片电极时，电容将减小
B.当F向上压膜片电极时，电容将增大
C.若电流计有示数，则压力F发生变化
D.若电流计有示数，则压力F不发生变化
BC
如果某个物理量的变化能引起电容C决定式中任何一个量变化，从而引起电容变化，那么通过测定电容器的电容，就能确定这个物理量的变化。
3.应用
1.原理：霍尔效应
霍尔电压UH与磁感应强度B的关系
2.作用
五、霍尔元件（拓展）
磁感应强度
霍尔
元件
电压
D
针对练 霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图所示为一长度一定的霍尔元件，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下，在元件中通入图示从E到F方向的电流I，其中元件中的载流子是带负电的电荷，下列说法中正确的是(　　)
A.该元件能把电学量转化为磁学量
B.该元件C面的电势高于D面的
C.如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度，
应保持工作面水平
D.如果流过霍尔元件的电流大小不变，
则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
实例：
将光敏、金属热电阻、热敏电阻视为滑动变阻器。
明确被测量与敏感元件阻值之间的关系
如测量温度，R—t关系信息
图像给出
文字给出
注意：R—t之间
正系数还是负系数
作为闭合电路的动态分析处理
思路
题型1：测量物理量
以光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻等为传感器，测量光照强度或温度等物理量。
关键
题型
已知控制装置，分析信息
已知信息，设计控制装置（局部电路设计为主）
明确敏感元件的特性（工作原理）
明确控制装置实现的目标
明确输入量与目标间得关系
输入量：如光照强度、磁感应强度、温度等非电学量
实例：课本P102 T3电饭煲温度控制系统
实例：课本P109 T2照明控制系统
题型2：控制系统的分析与设计
某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器（可等效为可变电阻）。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2（U1、U2为定值）时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是 （　　） A.U1C
达标测试
光敏电阻
课堂小结
课堂小结
金属热电阻和热敏电阻
电阻应变片
传感器
敏感元件
输出电信号为电阻
输出电信号为电容
输出电信号为电压
霍尔元件
传感器的工作原理
物理原理（物理特性或物理效应）
其它学科原理
电容式传感器
传感器的应用

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