资源简介

(共44张PPT)
5.2 常见传感器的
工作原理及应用
高中物理选择性必修第二册课件
主讲老师：xxx
高中物理选择性必修第二册
光敏电阻
金属热和热敏电阻
电阻应变片
霍尔元件
问题？
01.
高中物理选择性必修第二册
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？
光敏电阻
第一部分
光敏电阻
01.
高中物理选择性必修第二册
1.特点：光照越强，电阻越小。
2.电阻变化的原因：光敏电阻的构成物质为硫化镉是半导体材料，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。
3.作用：把光照强弱这个光学量
转换为电阻这个电学量。
R
光照
O
观察光敏电阻特性
01.
高中物理选择性必修第二册
高中物理选择性必修第二册
应用：光电计数
传送带上有无物品 光敏电阻有无光信号 光敏电阻阻值 输出电压大小
无
有
有
无
较小
较大
较低
较高
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。
光敏电阻的应用
03.
为什么半导体材料对温度更敏感？
04.
高中物理选择性必修第二册
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。
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
光敏电阻的工作原理
05.
高中物理选择性必修第二册
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
金属热电阻
和热敏电阻
第二部分
高中物理选择性必修第二册
金属热电阻和热敏电阻
01.
材料：金属
1.金属热电阻
R
T
o
=
2.热敏电阻
材料：半导体材料
R
T
o
特性：阻值随温度的升高而增大
特性：阻值随温度的升高而减小
高中物理选择性必修第二册
温度
电阻
金属热电阻和热敏电阻
温度传感器
与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。
金属热电阻和热敏电阻
02.
高中物理选择性必修第二册
金属热电阻特性
热敏电阻特性
金属热电阻和热敏电阻
03.
高中物理选择性必修第二册
热敏电阻的应用：低油位报警装置
金属热电阻和热敏电阻
04.
电阻应变片
第三部分
电阻应变片
01.
高中物理选择性必修第二册
金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。
应变片是把形变这个力学量转换为电压这个电学量。
电阻应变片
02.
高中物理选择性必修第二册
1.金属电阻应变片
2.半导体电阻应变片
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。
思考与讨论
03.
高中物理选择性必修第二册
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。
=
电容
电容器
电容式传感器
位移
高度
压力
角度
电容器传感器
04.
高中物理选择性必修第二册
测定角度θ
测定液面高度h
测定压力F
测定位移x
改变S
改变S
改变S
改变d
电阻应变片应用
05.
高中物理选择性必修第二册
电子秤使用的测力装置：力传感器
应变片通过电阻随形变变化的原理来测量压力，当材料受力变形时，其电阻值相应改变。
电阻应变效应
半导体应变片利用半导体材料的压阻效应，其灵敏度高于金属应变片，适用于高精度测量。
半导体应变片
粘贴式应变片通常由金属箔制成，贴在被测物体表面，通过测量电阻变化来感知应力。
粘贴式应变片
01
02
03
拓展学习——应变片原理
05.
霍尔元件
第四部分
霍尔效应以发现者埃德温·赫伯特·霍尔命名，他于1879年在约翰霍普金斯大学发现了这一现象。
霍尔效应的命名由来
该效应被科学界正式命名为“霍尔效应”，以纪念霍尔在电磁学领域的贡献和发现。
霍尔效应的科学命名
霍尔效应的命名
01.
当电流通过置于磁场中的导体时，会在导体的垂直方向产生电压，即霍尔电压。
霍尔电压的产生
霍尔效应可以通过霍尔系数与电流、磁场强度和导体厚度的乘积来数学描述。
霍尔效应的数学表达
霍尔系数是表征材料霍尔效应强弱的物理量，与材料的载流子浓度和类型有关。
霍尔系数的定义
01
02
03
霍尔效应原理
02.
霍尔元件通常使用掺杂半导体材料，如砷化镓或硅，以产生霍尔效应。
半导体材料
01
某些霍尔传感器使用金属材料，如铂或铜，虽然它们的霍尔电压较低，但响应速度快。
金属材料
02
为了提高霍尔元件的性能，有时会采用复合材料，结合不同材料的优点，如更高的灵敏度和稳定性。
复合材料
03
霍尔元件的材料
03.
霍尔元件通过半导体材料在垂直于电流方向施加磁场，产生霍尔电压，用于测量磁场强度。
霍尔电压的产生原理
01
霍尔元件通常由高迁移率的半导体材料制成，如砷化镓或硅，以提高灵敏度和响应速度。
霍尔元件的材料选择
02
元件的几何形状和尺寸对霍尔效应的灵敏度有直接影响，设计时需考虑最佳尺寸和形状。
霍尔元件的几何设计
03
霍尔元件的结构
04.
磁场强度测量
01
霍尔元件能够准确测量磁场强度，广泛应用于电机、发电机和磁性材料的检测。
电流检测
02
通过霍尔效应，霍尔元件可以非接触式地测量电流，常用于电力系统和电子设备中。
位置和速度传感
03
霍尔传感器可用于测量旋转物体的位置和速度，如汽车的轮速传感器和机床的定位系统。
霍尔元件的测量功能
05.
霍尔效应传感器可用于检测位置和位移，例如在汽车的ABS系统中监测轮速。
霍尔传感器能够非接触式检测电流，常用于电力系统和电子设备中电流的精确测量。
利用霍尔元件可以精确测量磁场强度，广泛应用于电机控制和磁性材料研究。
霍尔效应在磁场测量中的应用
霍尔效应在电流检测中的应用
霍尔效应在位置传感中的应用
半导体霍尔效应
06.
霍尔元件能精确测量磁场强度，广泛应用于电流传感器和位置传感器中。
高精度测量
霍尔效应允许元件在不接触被测物体的情况下进行测量，减少磨损和维护成本。
非接触式检测
霍尔传感器对磁场变化的响应速度快，适用于需要高速检测的场合，如转速测量。
快速响应时间
霍尔元件的使用优势
07.
随着微电子技术的发展，霍尔元件正朝着更小尺寸、更高集成度的方向发展，以适应便携式设备的需求。
集成化与微型化
01
未来的霍尔元件将集成更多智能功能，如自诊断、数据处理能力，实现多功能一体化。
智能化与多功能化
02
研究者正致力于提高霍尔元件的灵敏度，同时降低其工作时的能耗，以适应物联网等低功耗应用领域。
高灵敏度与低功耗
03
技术创新方向
08.
汽车工业
霍尔传感器在汽车中用于位置和速度检测，如ABS系统和发动机管理。
消费电子产品
医疗设备
霍尔元件用于医疗成像设备中，如MRI机器，以确保精确的磁场控制。
智能手机、平板电脑等设备中使用霍尔元件进行屏幕旋转锁定和接近感应。
工业自动化
霍尔传感器在自动化生产线中用于检测物体位置，控制机械臂等设备的运动。
霍尔元件的应用领域
09.
随着电动汽车和自动驾驶技术的发展，霍尔元件在汽车传感器中的需求有望显著增加。
01
汽车行业的应用增长
霍尔元件因其小型化和高灵敏度，正被集成到各种可穿戴设备中，推动市场增长。
02
可穿戴设备的集成
在工业自动化领域，霍尔元件用于位置和速度检测，随着智能制造的推进，市场潜力巨大。
03
工业自动化
霍尔元件的市场潜力
10.
传感器的定义
01.
高中物理选择性必修第二册
总结提升
第五部分
周期
课堂小结
高中物理选择性必修第二册
霍尔元件
01
02
03
04
电阻应变片
特点：光照越强，电阻越小。
光敏电阻
金属热和热敏电阻
特性：阻值随温度的升高而增大
特性：阻值随温度的升高而减小
金属导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化。
例题1
例题精选
01.
【参考答案】C
高中物理选择性必修第二册
某些智能手机和运动手环中有一种加速度传感器，可以实现计步的功能。这种传感器能够测量设备在不同方向上的加速度变化，原理如图。M和N为电容器两极板，M极板固定，N极板两端与两轻弹簧连接，当加速度变化时，N极板只能按图中标识的前后方向运动。下列对传感器描述正确的是（　　）
A．由匀速突然向前加速时，电容器所带电荷量增大
B．由匀速突然向前加速时，M、N间的电场强度增大
C．若有电流由b到a流经电流表，则加速度方向向前
D．保持向前做匀速运动，电阻R将以恒定功率发热
解析
例题解析
02.
高中物理选择性必修第二册
【解析】AB．电容器两极板与电源始终相连，电压保持不变。由匀速突然向前加速时，N板相对M板向后运动，则两板间距变大，根据可知，电容器的电容减小，根据可知，电容器所带电荷量减小，根据可知M、N间的电场强度减小，故AB错误；
C．若有电流由b到a流经电流表，则电容器放电，电容器所带电荷量减小，电容器的电容减小，两板间距变大，加速度向前，故C正确；
D．保持向前做匀速运动时，N板相对M板不动，电容器的两板间距不变，而电容器的两端电压不变，回路中无电流，电阻R不发热，故D错误。故选C。
例题2
例题精选
03.
【参考答案】ABD
高中物理选择性必修第二册
（多选）电熨斗构造示意图如图所示，其中温度敏感元件是双金属片，在温度升高时上层金属的膨胀大于下层金属，可造成双金属片的形变。观察电熨斗的构造，以下说法正确的是（　　）
A．双金属片的作用是控制电路的通断
B．常温下，电熨斗的上下触点是接触的
C．当温度过高时，双金属片向上弯曲
D．熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，调温旋钮应该向下旋
解析
高中物理选择性必修第二册
【解析】C．当温度升高时，金属片上层的膨胀系数大于下层的膨胀系数，双金属片向膨胀系数小的一侧弯曲，即金属片向下弯曲，故C错误；
AB．当温度过高时，双金属片向下弯曲使触点断开，电熨斗不工作，常温下，电熨斗的上下触点是接触的，电熨斗工作，故双金属片的作用是控制电路的通断，故AB正确；D．熨烫棉麻衣物需要设定较高的温度，即温度较高时金属片才能离开触点，故要将调温旋钮旋转下降，保证在温度未达到一定值时，金属片不与触点断开，故D正确。故选ABD。
例题解析
04.
例题3
例题精选
05.
【参考答案】AD
高中物理选择性必修第二册
（多选）某种感温式火灾报警器如图甲所示，其简化的工作电路如图乙所示。变压器原线圈接电压有效值恒定的交流电源。副线圈连接报警系统，其中为热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，为滑动变阻器，为定值电阻。当警戒范围内发生火灾，环境温度升高达到预设值时，报警装置（图中未画出）通过检测通过的电流触发报警。下列说法正确的是（ ）
A．警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压不变
B．警戒范围内出现火情时，原线圈输入功率变小
C．通过定值电阻的电流过大时，报警装置就会报警
D．若要调低预设的报警温度，可减小滑动变阻器连入电路的阻值
解析
高中物理选择性必修第二册
【解析】A．由可知，在、、不变的情况下线圈两端电压不变。故A正确；B．出现火情时，热敏电阻阻值减小，副线圈两端电压不变，可知副线圈电路的电流变大，消耗功率变大。由可知，原线圈输入功率变大。故B错误；C．发生火情时流过的电流增大，报警器报警。故C正确；D．调低预设报警温度，此时热敏电阻阻值比调整之前大，为了保证电流达到与调整前一样的报警电流，可将连入电路的阻值调小。故D正确。
故选AD。
例题解析
06.
例题4
例题精选
07.
【参考答案】AD
高中物理选择性必修第二册
（多选）某同学用平行板电容器探究材料竖直方向尺度随温度变化的特征，探究电路如图所示。电容器上极板固定，下极板可随材料竖直方向的尺度变化而上下移动。电源输出电压恒定，闭合开关S，被测材料热胀冷缩，调节滑动变阻器R，滑片处在中间一位置时带电液滴P恰好可以静止在电容器极板间，下列说法中正确的是（　　）
A．改变的阻值，带电液滴P仍能处于静止状态
B．材料温度降低，带电液滴P将向上运动
C．材料温度升高，极板所带电荷量减小
D．检测到灵敏电流计的电流方向为从a到b，说明材料温度升高
解析
高中物理选择性必修第二册
【解析】A．由图可知，与电容器串联，故其作用相当于导线，所以改变的阻值，并不会改变回路中的总电阻，故不会改变电路稳定时总电流，故两端的电压也不会改变，电容器两电压等于两端的电压，故电路稳定时电容两端电压不变，粒子所受电场力不变，故带电液滴P仍能处于静止状态，故A正确；B．材料温度降低，材料体积变小，电容器两板间距增大，根据可知电场强度减小，电场力减小，故带电液滴P将向下运动，故B错误；C．材料温度升高，材料体积变大，电容器两板间距减小，根据可知电容增大；根据
又电压不变，故极板所带电荷量增大，故C错误；D．检测到灵敏电流计的电流方向为从a到b，说明电容器正充电，则电容增大，根据可知电容器两板间距减小，说明材料温度升高，故D正确。故选AD。

例题解析
08.
THANKS
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