高中物理 第5章 传感器及其应用 第1节 揭开传感器的面纱 电容器的原理简介素材 鲁科版选修32
2020_2021学年新教材高中物理第5章传感器及其应用第1节常见传感器的工作原理课件鲁科版选择性必
二、敏感元件 1．光敏元件 (1) 光敏电阻是一种典型的光敏元件，广泛应用于光敏传感器。 (2)光敏电阻的构成物质为半导体材料，当光照射到这些半导体 物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其阻值会发生改变。光 照越强被激发出的电子数就越多，电组就越小。 (3)特点：光照越强，电阻 越小。
2．热敏元件 (1) 热敏电阻是一种常用的热敏元件，广泛应用于温度传感器。 (2)热敏电阻由半导体材料制成，其电阻有随 温度的改变而改变 的特性。 (3)分类： ①电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻。 ②电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。
(1)为什么当冰箱内温度较高时压缩机能够开始工作，而当达到 设定的低温后又自动停止工作？
(2)为什么凸轮可以改变设定的温度？
[解析] (1)冰箱内温度较高时，密封系统中的压强增大，盒体膨 胀，膜盒 3 通过小柱体带动弹簧片 4 使动触点 5 与静触点 6 接触，控 制压缩机自动开始工作，而当达到设定的低温时弹簧 7 带动弹簧片 4 将触点 5、6 断开，使压缩机停止工作。
霍尔效应的应用
如图所示的霍尔元件能把磁学量转换成电学量，电压 UH 与磁感 应强度 B 满足什么关系？
提示：设图中 MN 方向长度为 l2，则 qUl2H＝qvB，根据电流的微 观解释，I＝nqSv，整理后，得 UH＝nIqBd，令 k＝n1q，则 UH＝kIdB， 故 UH 与 B 成正比。
1．霍尔效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍 尔效应可以确定一种半导体材料是电子型还是空穴型。半导体内载 流子的浓度受温度、杂质以及其他因素的影响很大，因此霍尔效应 为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
高二物理人教版(2019)选择性必修第二册第五章 传感器 知识点整理
第五章传感器第一节：认识传感器（1、传感器）（2、传感器的原理和分类）第二节：常见传感器的工作原理及应用（1、光敏电阻）（2、热敏电阻和金属热电阻）（3、应变式力传感器）（4、电容式传感器）（5、声传感器）（6、温度传感器）（7、传感器应用的一般模式）第三节：利用传感器制作简单的自动控制装置（1、电饭锅的工作原理）（2、火灾报警器的工作原理）（3、斯密特触发器）（4、蜂鸣器）（5、鼠标）（6、常见传感器的应用）（7、常见电学原件的原理）第一节传感器一、传感器1．定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断的器件或者装置。
2.功能：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。
二、传感器的原理和分类1．传感器原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。
传感器原理如下图所示。
2．传感器的分类常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。
根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。
物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。
化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。
生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。
第二节常见传感器的工作原理及应用一、光敏电阻1、特点：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。
2、原理：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。
高中物理第五章传感器1.认识传感器2.常见传感器的工作原理及应用课件新人教版选择性必修第二册
件．某学习小组的同学在用多用电表研究热敏电阻特性的实验时，安 装好如图所示装置．向杯内加入冷水，温度计的示数为20 ℃，多用电 表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值R1，然后向杯内加入热水， 温度计的示数为60 ℃，发现多用电表的指针偏转角度较大，则下列说 法正确的是( )
A．生物传感器
B．气体传感器
C．温度传感器
D．压力传感器
答案：D 解析：汽车的车窗有防夹手功能，在关闭过程中碰到障碍时会停止关闭并打开， 实现该功能可能是使用了压力传感器，D正确．
2．(多选)某磁敏电阻的阻值R随外加磁场的磁感应强度B变化图线如 图甲所示．学习小组使用该磁敏电阻设计了保护负载的电路如图乙所 示，U为直流电压，下列说法正确的有( )
(1)温度越高时，电压表示数__越__大____(选填“越大”或“越小”)； (2)闭合开关后，发现电压表示数为0.45 V，则热敏电阻此时的温度 为____4_0_.0__ ℃(保留1位小数)．
视野拓展·电容式传感器 例4. 电容器是一种常用的电学元件，在电工、电子技术中有着广泛 的应用．有关电容式传感器在生活中的应用，以下说法正确的是 ()
2．(多选)有一种测量人体重的电子秤，其结构如图中虚线内所示， 主要由踏板、压力传感器R(是一个阻值可随压力大小而变化的电阻 器)、显示体重的仪表G(实质是理想电流表)三部分构成，已知踏板的 质量可忽略不计，重力加速度g取10 m/s2，理想电流表的量程为0～3 A，电源电动势为12 V，内阻为2 Ω，电阻R随压力变化的函数式为R ＝30－0.02F(F和R的单位分别是N和Ω)．下列说法正确的是( )
两应变片上电压的差值变化
走进生活
火灾探测器的核心元件为光敏传感器，当烟雾在空气中的浓度超过 设定值时，可以触发报警，并对外发出声光报警信号．此时传感器是 将什么量进行转化的？
高中物理选修二 学习笔记 第5章 1 认识传感器 2 常见传感器的工作原理及应用
1认识传感器2常见传感器的工作原理及应用[学习目标] 1.知道什么是传感器，了解传感器的种类(重点)。
2.知道传感器的组成与应用模式。
3.知道光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻、电阻应变片、电容式传感器的工作原理及应用(难点)。
一、传感器及其工作原理干簧管结构：如图甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时：(1)会发生什么现象，为什么？(2)干簧管的作用是什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．传感器(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的________________(通常是________、电流等电学量)输出，或转换为电路的________的器件或装置。
(2)功能：把____________量转化为____________量，可以方便地进行测量、传输、处理和________。
2．传感器的种类、组成与应用模式(1)分类：按传感器的工作原理的不同，把传感器分为________传感器、________传感器和________传感器。
(2)组成：传感器主要由________________、转换元件组成。
①敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
②转换元件：将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
(3)应用模式：例1关于传感器，下列说法正确的是()A．所有传感器都是由半导体材料制成的B．金属材料也可以制成传感器C．传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的D．水银温度计是一种传感器例2在多种检测三聚氰胺的方法中有一种“酶标法”检测，这种检测方法使用的传感器，应为传感器中的哪一类()A．物理传感器B．化学传感器C．生物传感器D．温度传感器二、光敏电阻1．特点：在被光照射时________发生变化，阻值随光照强度的增强而明显________。
高中物理课件：5-1-2认识传感器 传感器及其工作原理
通过改变： 、S 、d
从而改变C
测定角度
测定液面高度
测定位移
作用： 力学量
电学量：电容
测定压力F
小结： 1、传感器：
1）概念： 非电学量 2）原理： 非电学量 2、敏感元件：
转换为
电学量
敏感元件 转换电路
电学量
1）光敏电阻：光学量
电学量：电阻 （光电传感器）
2）热敏电阻：热学量：T
2T 0
1、金属热电阻 2、热敏电阻
热学量：温度
电学量：电阻
例2、有定值电阻、热敏电阻、光敏电阻三只元件分别接入如图所
示电路中A、B两点后，用黑纸包住元件置入热水中，观察欧姆表
的示数，下列说法正确的是（ AC ）
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
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
A
R1 R2
信号 处理 系统
b 热敏电阻和金属热电阻：
金属热电阻：
规律：金属电阻随温度的升高而增大
测温优点：测温范围大、稳定性好 热敏电阻： 由半导体材料制成
规律： 电阻随温度的升高而减小。
金属热电阻铂做成的温度计
R
1
常见符号：
实物图：
Rt
测温优点： 测温敏感度好 作用：
方向与电流方向垂直，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向是
出现了电势差的现象，称为霍尔效应，形成的电压UH叫霍尔电压
该元件叫霍尔元件
霍尔电压：
UH
k
IB d
给定的霍尔元件的d、k为定
值，再保持I恒定，则UH的变化 就与B成正比。
鲁科版高中物理选择性必修第二册精品课件 第5章 传感器及其应用 第1节 常见传感器的工作原理 (4)
(3)输出的是电信号。
知识归纳
非电学量→电学量
1.传感器感受的通常是非电学量,如压力、温度、位移、浓度、速度、酸
碱度等,而它输出的通常是电学量,如电压、电流、电荷量等,这些输出信
号是非常微弱的,通常要经过放大后再输送给控制系统产生各种控制动作。
2.传感器的工作原理如下所示:
D.小灯泡的亮度变暗
解析 RT与小灯泡并联后再与R串联,和电源构成闭合电路,当温度降低时,热
敏电阻RT的阻值增大,外电路电阻增大,电流表示数变小,R两端电压减小,
小灯泡两端电压增大,小灯泡亮度变亮,故C正确,A、B、D错误。
探究四
磁敏元件
情境探究
霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研
究金属的导电机制时发现的。霍尔元件是磁传感器,是实际生活中的重要
元件之一。如图所示为长度一定的霍尔元件,在该元件中通有方向从E到F
的恒定电流I,现在空间加一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,其
流变小,故流过半导体的电流减小,故A错误。由图乙可知半导体的电阻
R=R1-kt,半导体两端的电压U=
=
+ 0 +
+
1+ 0
1-
,则该电子温度计表盘
上温度的刻度是不均匀的;温度越高,U越小,即tA应标在电压较大的刻度
上,tB应标在电压较小的刻度上,故B、C错误。若电源用久后内阻r变大,根
度改为相应的温度刻度,就得到了一个简易的电子温度计。下列说法正确
的是(
D)
A.温度降低,流过半导体的电流增大
B.该电子温度计表盘上温度刻度是均匀的
第5章《传感器及其应用》参考答案
第5章《传感器及其应用》第1节 揭开传感器的“面纱”【学习目标】1．了解传感器在生产和生活中的应用。
2．知道非电学量转换成电学量的技术意义。
3．知道传感器的最基本原理及其一般结构。
4．知道敏感元件的作用。
【要点透析】1. 什么是传感器？传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）按一定规律转换成便于处理和传输电学量（如电压、电流等）的一种元件。
传感器输入的是非电学物理量，输出的是电学量。
将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理。
各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域。
2．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。
如图5.1-1所示。
敏感元件（预变换器）：将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件。
敏感元件是传感器的核心部分，它是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。
转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。
转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。
3．传感器的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：（1）按工作原理分类物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器，如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等；化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器，如气敏传感器、湿敏传感器等； 生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器，它是由固定生物体材料和适图5.1-1 敏感元件当转换器件组合成的系统。
如组织传感器、细胞传感器、酶传感器等。
（2）按用途分类这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据需要测量的对象选择所需要的传感器。
高中物理选择性必修件第五章常见传感器的工作原理及应用
单摆实验
采用光电门传感器测量单摆的周 期，结合长度测量工具探究单摆
周期与摆长的关系。
创新性实验设计与实施
01
利用传感器设计自动化实验
如利用温度传感器和控制系统设计恒温实验，通过实时监测温度并自动
调节加热功率来保持温度恒定。02多 Nhomakorabea感器融合实验
将不同类型的传感器组合使用，实现多物理量的同时测量，如结合力传
利用磁阻效应，即磁场作用下物质电 阻发生变化的原理来检测磁场。
03
传感器在物理实验中的应用
测量物理量实验
力学量测量
使用力传感器测量力的大小和方 向，结合位移传感器可测量物体
的加速度、速度和位移等。
热学量测量
利用温度传感器测量物体的温度， 通过热电偶或热敏电阻将温度转换 为电信号进行处理。
光学量测量
02
常见传感器类型及工作原理
温度传感器
01 热电偶
利用两种不同金属在温度变化时产生的热电势来 测量温度。
02 热电阻
利用金属或半导体材料的电阻随温度变化的特性 来测量温度。
03 集成温度传感器
将温敏元件、信号调理电路和接口电路集成在同 一芯片上，实现温度的测量和数字化输出。
压力传感器
01 压阻式压力传感器
传感器分类
根据其工作原理和应用领域，传感器可分为多种类型， 如光传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器等 。
发展历程及现状
发展历程
传感器的历史可以追溯到20世纪初，当时主要用于工业自动化领域。随着科技的不断进步，传 感器的种类和性能得到了极大的提升，应用领域也不断扩展。
现状
目前，传感器已经广泛应用于各个领域，如工业、医疗、环保、交通、安防等。同时，随着物 联网、人工智能等技术的快速发展，传感器在智能家居、智慧城市等领域的应用也越来越广泛 。
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电容的原理简介
一、电容器的参数
按绝缘材料不同，可制成各种各样的电容器. 如：云母．瓷介．纸介，电解电容器等．在构造上，又分为固定电容器和可变电容器．由于电容器的类型和结构种类比较多，因此，我们不仅需要了解各类电容器的性能指标和一般特性，而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点，以及机械或环境的限制条件等。
这里将对电容器的主要参数及其应用做简单说明。
1. 标称电容量（ C R ）。
电容器产品标出的电容量值。
云母和陶瓷介质电容器的电容量较低（大约在 5000pF 以下）；纸、塑料和一些陶瓷介质形式的电容器居中（大约在
0.005uF~1.0uF ）；通常电解电容器的容量较大。
这是一个粗略的分类法。
2. 类别温度范围。
电容器设计所确定的能连续工作的环境温度范围。
该范围取决于它相应类别的温度极限值，如上限类别温度、下限类别温度、额定温度（可以连续施加额定电压的最高环境温度）等。
3. 额定电压（ U R ）。
在下限类别温度和额定温度之间的任一温度下，可以连续施加在电容器上的最大直流电压或最大交流电压的有效值或脉冲电压的峰值。
电容器应用在高电压场和时，必须注意电晕的影响。
电晕是由于在介质 / 电极层之间存在空隙而产生的，它除了可以产生损坏设备的寄生信号外，还会导致电容器介质击穿。
在交流或脉动条件下，电晕特别容易发生。
对于所有的电容器，在使用中应保证直流电压与交流峰值电压之和不得超过电容器的额定电压。
4. 损耗角正切（ tg δ）。
在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率为损耗角正切。
在实际应用中，电容器并不是一个纯电容，其内部还有等效电阻，它的简化等效电路如附图所示。
对于电子设备来说，要求 R S 愈小愈好，也就是说要求损耗功率小，其与电容的功率的夹角要小。
5. 电容器的温度特性。
通常是以20 ℃基准温度的电容量与有关温度的电容量的百分比表示。
6. 使用寿命。
电容器的使用寿命随温度的增加而减小。
主要原因是温度加速化学反应而使介质随时间退化。
7. 绝缘电阻。
由于温升引起电子活动增加，因此温度升高将使绝缘电阻降低。
二、电容器的原理
在电子产品中，电容器是必不可少的电子器件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。
电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。
与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。
电容器是一种能储存电荷的容器．它是由两片靠得较近的金属片，中间再隔以绝缘物质而组成的．两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。
电容器对直流电阻力无穷大，即电容器具有隔直流作用.电容器对交流电的阻力受交流电频率影响，即相同容量的电容器对不同频率的交流电呈现不同的容抗.电容器是依靠它的充放电功能来工作的，加在电容器两个极板上的交流电频率高，电容器的充放电次数增多；充放电电流也就增强；也就是说．电容器对于频率高的交流电的阻碍作用就减小,即容抗小,反之电容器对频率低的交流电产生的容抗大．对于同一频率的交流电电．电容器的容量越大，容抗就越小，容量越小,容抗就越大.
不同的电容器储存电荷的能力也不相同。
规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。
电容的基本单位为法拉（F）。
但实际上，法拉是一个很不常用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF）（皮法又称微微法）等，它们的关系是：1法拉（F）= 1000000微法（μF） 1微法（μF）= 1000纳法（nF）= 1000000皮法（pF）
在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。
小容量的电容，通常在高频电路中使用，如收音机、发射机和振荡器中。
大容量的电容往往是作滤波和存储电荷用。
而且还有一个特点，一般1μF以上的电容均为电解电容，而1μF以下的电容多为瓷片电容，当然也有其他的，比如独石电容、涤纶电容、小容量的云母电容等。
电解电容有个铝壳，里面充满了电解质，并引出两个电极，作为正（+）、负（-）极，与其它电容器不同，它们在电路中的极性不能接错，而其他电容则没有极性。
把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿即使把电源断开，两个
引脚间仍然会有残留电压（也可以用万用表观察），我们说电容器储存了电荷。
电容器极板间建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器的充电。
充好电的电容器两端有一定的电压。
电容器储存的电荷向电路释放的过程，称为电容器的放电。
发烧友制作HiFi音响，都要用至少1万微法以上的电容器来滤波，滤波电容越大，输出的电压波形越接近直流，而且大电容的储能作用，使得突发的大信号到来时，电路有足够的能量转换为强劲有力的音频输出。
这时，大电容的作用有点像水库，使得原来汹涌的水流平滑地输出，并可以保证下游大量用水时的供应。
电子电路中，只有在电容器充电过程中，才有电流流过，充电过程结束后，电容器是不能通过直流电的，在电路中起着“隔直流”的作用。
电路中，电容器常被用作耦合、旁路、滤波等，都是利用它“通交流，隔直流”的特性。
那么交流电为什么能够通过电容器呢？我们先来看看交流电的特点。
交流电不仅方向往复交变，它的大小也在按规律变化。
电容器接在交流电源上，电容器连续地充电、放电，电路中就会流过与交流电变化规律一致的充电电流和放电电流。
电容器的选用涉及到很多问题。
首先是耐压的问题。
加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。
一般电解电容的耐压分档为6.3V，10V，16V，25V，50V等。