2024_2025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学案鲁科版选择性必修第二册.docVIP

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第1节常见传感器的工作原理

[核心素养·明目标]

核心素养

学习目标

物理观念

知道什么是传感器，知道传感器的组成和作用。

科学思维

了解传感器将非电学量转换为电学量的一般应用模式。

科学探究

能通过试验探究光敏电阻及热敏电阻的特性。

科学看法与责任

了解光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件的性能、工作原理及应用。

学问点一初识传感器

1．定义：能够感受外界信息，并将其依据肯定的规律转换成可用输出信号(主要是电信号)的器件或装置。

2．功能：传感器通常应用在自动测量和自动限制系统中，担负着信息采集和转化任务，把非电学量转化为电学量。

3．组成与结构

(1)组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成

(2)结构：非电学量→敏感元件→转换元件→电学量

CPU温度是由CPU内置的温度传感器侦测到温度之后传达给BIOS显示出来，由BIOS依据温度凹凸来确定散热风扇的转速，CPU温度传感器的作用是什么？主要由什么元件组成？

提示：将非电学量温度转化为电学量输出给BIOS，主要由敏感元件和转换元件组成。

1：思索辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。 (√)

(2)敏感元件干脆感受被测的量，并输出与被测的量有确定关系的信号。 (√)

学问点二敏感元件

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，当光照耀到这些半导体物质上时，会激发半导体内部受束缚的电子，其阻值会发生变更。光照越强，被激发出的电子数就越多，电阻就越小。

(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，其电阻有随温度的变更而变更的特性。

(3)分类：

①电阻值随温度上升而增大的是正温度系数(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。

3．磁敏元件

(1)霍尔元件是依据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，广泛应用于磁传感器。

(2)构造：如图所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个引出端子，就成为一个霍尔元件。

产生霍尔电压的示意图

(3)霍尔电压：UH＝keq\f(IB,d)。

①其中d为霍尔元件的厚度，k为与材料有关的霍尔系数。

②对于一个给定的霍尔元件，当电流I固定时，则UH完全取决于磁感应强度B。

(4)作用：把磁感应强度的测量转换为电压的测量。

家用电烤箱在达到预设温度后电热管就会停止加热，当温度降低时电热管启动再次加热直至达到预设温度，思索电烤箱是如何实现自动调控温度的？

提示：电烤箱内置温度限制开关含有热敏元件，当温度达到预设温度时，温控开关断开，停止加热，当温度降低时，开关再次闭合。

2：思索辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)随着光照的增加，光敏电阻的电阻值渐渐增大。 (×)

(2)只有热敏电阻才能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。 (×)

3：填空

如图所示是霍尔元件的示意图，一块通电的铜板放在磁场中，板面垂直于磁场，板内通有如图方向的电流，a、b是铜板上、下边缘的两点的电势φa＜φb，若电流增大时，则有|φa－φb|增大。

考点1传感器的原理和分类

有自动限制功能的蔬菜大棚，要靠传感器感知作物生长所需的各种信息。如图所示为蔬菜大棚内信息采集与自动限制示意图。试结合图中信息思索，在蔬菜种植大棚中要用到哪些传感器？

提示：须要五种传感器：光传感器、湿度传感器、温度传感器、气敏传感器、温敏传感器。

1．传感器的核心元件

(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，干脆感受被测量，并将其变换成与被测量成肯定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。

(2)转换元件：也称为传感元件，通常不干脆感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。

(3)转换电路：是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。

2．传感器的工作原理

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、电流、电荷量等，这些输出信号是特别微弱的，通常要经过放大后再输送给限制系统产生各种限制动作。传感器的工作原理如下所示：

非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量

3．分类

工作原理

举例

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

压电传感器、温度传感器、光电传感器、电感传感器、电容传感器等

化学传感器

利用化学反应识别和检测信息

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号

酶传感器、组织传感器、细胞传感器等

【典例1】如图所示为一般冰箱内温度限制器的结构。铜质的测温泡1、细管2和弹