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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
高中物理教科版（2019）选择性必修第二册
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。
1.了解传感器的概念与构成，知道传感器的分类。
2.经历实验探究过程，知道传感器是如何把非电学量转化成电学量，从而了解常见传感器的工作原理。
3.通过了解生产生活中的传感器。
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。

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