高中物理选修3-2
第1节 传感器及其工作原理
学习目标 1.了解传感器的概念，知道非电学量转换成电学量的技术的意义。 核心提炼 1个概念——传感器 1个原理——传感器的工作原理 2.了解光敏电阻、热敏电阻、金属热电阻、1个特性——敏感元件的特性 霍尔元件的工作原理。 3.了解传感器的常用元件的特征。
一、什么是传感器
阅读教材第52页，了解传感器的概念。
1.传感器的定义：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的元件。
2.非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。 思考判断
(1)传感器可以把非电学量转换为电学量。(√) (2)传感器可以把力学量(如形变量)转变成电学量。(√) (3)传感器可以把热学量转变成电学量。(√) (4)传感器可以把光学量转变成电学量。(√) (5)传感器可以把电学量转变成力学量。(×)
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多种应用——传感器的多种应用 高中物理选修3-2
二、光敏电阻
阅读教材第53～54页，了解光敏电阻的特性及作用。 1.特点：光照越强，电阻越小。
2.原理：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。
3.作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。 思考判断
(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小。(√) (2)有光照在光敏电阻上，电阻上的自由电子会发生定向移动。(×)
(3)光敏电阻的阻值只会随人造光的强弱而变化，不能感知自然光的变化。(×) 三、热敏电阻和金属热电阻
阅读教材第54页，了解热敏电阻和金属热电阻的特性。
1.热敏电阻：用半导体材料制成。可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。
(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大。
(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小。
2.金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。 思考判断
(1)热敏电阻在温度升高时阻值变小。(×) (2)金属热电阻在温度升高时阻值变小。(×)
(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低。(×)
(4)金属热电阻随温度的升高导电能力增强，它的化学稳定性好，测量范围大。(×) (5)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。(√) 四、霍尔元件
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阅读教材第55页，了解霍尔元件的工作原理。 1.霍尔电压
如图1所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，则M、NIB间出现霍尔电压UH，UH＝kd。d为薄片厚度，k为霍尔系数。一个霍尔元件的d、k为定值，若保持I恒定，则UH的变化就与B成正比。
图1
2.作用
把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。 思考判断
(1)霍尔元件一共有两个电极，电压这个电学量就通过这两个电极输出。(×) (2)把霍尔元件放入磁场中，由于电磁感应现象，在元件的电极间产生感应电动势。(×)
(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。(×)
IB
(4)在UH＝kd中，k为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。(√) (5)霍尔元件可以感知磁感应强度。(√)
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1 问题2
对传感器的理解
[要点归纳]
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1.传感器的组成和工作流程 (1)传感器的组成。
①敏感元件：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：将敏感元件输出的与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
③转换电路：将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等或电路的通断。 (2)传感器的工作流程。
非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
2.传感器的原理：传感器感受的通常是非电学量，如力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等。这些输出的信号是非常微弱的，通常需要经过放大后，再传送给控制系统产生各种控制动作。 [精典示例]
[例1]如图2所示，是电容式话筒的示意图，它是利用电容制成的传感器，话筒的振动膜前面有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极。在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，从而使声音
信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因是电容器两板间的( )
图2
A.距离变化 C.电介质变化
B.正对面积变化 D.电压变化
[解析] 振动膜前后振动，使振动膜上的金属层与金属板间的距离发生变化，从而将声音信号转化为电信号，故选项A正确。 [答案] A
[针对训练1]当你走近某些宾馆、酒楼的大门时，门就会自动为你打开；当你走进
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门之后，门又在你身后自动关上。你觉得这可能是将下列哪种外界信息转换为有用的信息( ) A.温度 C.人
B.运动 D.光线
[解析] 自动门的自动控制要求灵敏、可靠，若以温度控制，人的体温与夏季气温接近，则在夏季自动门将无法使用。自动门实际使用的是红外线传感器，红外线属于不可见光，人在白天或黑夜均发出红外线，传感器接收到人体发出的红外线后传给自动控制装置的电动机，实现自动开、关门。故选项D正确。 [答案] D
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高中物理选修3-2优质学案：6.1传感器及其工作原理
