常见传感器的工作原理PPT课件免费下载2023

鲁科版 (2019)高中物理选择性必修 第二册课文《常见传感器的工作原理》,完整版PPT课件免费下载，优秀PPT背景图搭配，精美的免费ppt模板。轻松备课，欢迎免费下载使用。

一、【课程的主要内容】

一、初识传感器【思考】中国在2020年5月5日发射了长征五号B运载火箭，地面通讯站是怎样获取火箭飞行中的各项数据的？提示：火箭装有多种传感器，这些传感器可以将火箭的加速度、速度、方向、温度等信息转化为电信号，通过无线电传回地面。
1.定义：能够感受外界信息，并将其按照一定的规律转换成_____________(主要是_______)的器件或者装置，我们称之为_______。2.作用：传感器通常应用在自动测量和自动控制系统中，担负着信息采集和转化任务，通常需要把_________转化为_______。3.传感器主要由_________和_________组成。4.传感器的工作示意图
二、敏感元件 (一)探究光敏电阻特性1.光敏元件是利用某些物质在_________电学特性随之变化的性质制成的。2._________是一种典型的光敏元件，用金属硫化物等半导体制成的，光照越强，阻值越___。
(二)探究热敏电阻特性1.热敏元件是利用敏感元件的某种电学特性随_____变化而变化的规律制成的。2._________是一种典型的热敏元件，用半导体材料制成的，NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而_____；PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而_____。(三)磁敏元件_________是根据半导体材料的霍尔效应制成的一种磁敏元件，它可以将___________的测量转化为电压的测量，广泛应用于磁传感器中。
一 初识传感器传感器的作用及组成1.作用：(1)采集信息：采集压力、位移、流量、温度、浓度等非电学量。(2)转化信息：将信息转化为电压、电流、电阻等电学量。(3)传感器对信息的采集和转化便于仪表显示和用于自动控制系统中。2.组成：(1)敏感元件。(2)转换元件。
【思考·讨论】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依据温度高低来决定散热风扇的转速。(1)CPU温度传感器的作用是什么？主要由什么元件组成？(物理观念)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。(2)CPU温度传感器的存在对电脑有什么意义？(科学思维)提示：及时将CPU温度传递给电脑，防止因CPU温度过高而出现死机现象。
【典例示范】如图所示器具均应用了传感器，下列说法正确的是( )
A.话筒应用了热传感器，其作用是将电信号转换为声信号B.电子秤所使用的测力装置是光敏电阻传感器C.烟雾散射火灾报警器应用了声传感器D.电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断
【解析】选D。话筒是一种常用的声传感器，其作用是将声信号转换为电信号，故A错误；电子秤所使用的测力装置是压力传感器，故B错误；烟雾散射火灾报警器是应用烟雾对光的散射来工作的，所以该报警器利用的传感器是光传感器，故C错误；电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断，故D正确。
【规律方法】传感器工作原理的判断步骤(1)判断该设备的作用。(2)该设备能采集哪些非电学量。(3)判断传感器类型。(4)解释控制原理。
【素养训练】在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是( )A.光传感器 B.温度传感器C.声传感器 D.压力传感器【解析】选A。在电梯门口放置一障碍物，电梯门不停地开关，电梯门口有一个光传感器，故选项A正确。
【补偿训练】1.下列关于传感器说法正确的是( )A.通常传感器可以直接用来进行自动控制B.传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量C.传感器可以将所有感受到的信号都转换为电学量D.传感器是将信息转化为电压输出
【解析】选B。通常传感器输出的电学信号非常微弱，要经过放大，再送给控制系统产生各种控制动作，A错误；传感器通过采集力、温度、光、声、磁场、化学成分等信息，按一定规律转换为电压、电流、电阻等电学量或电路的通断，传感器并不能将所有非电学信号都转换为电学量，故B正确，C错误；传感器既可以将信息转化为电压输出，也可以转化为电流、电阻等输出，D错误。
2.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→转换元件B.电学量→敏感元件→转换电路→转换元件→非电学量C.非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量D.非电学量→转换电路→转换元件→敏感元件→电学量【解析】选C。传感器工作的一般流程为非电学量 敏感元件 转换元件 转换电路 电学量，因此A、B、D错，C对。
二 常用敏感元件考查角度1 光敏元件1.光敏元件名称：光敏电阻。2.特点：在强光下电阻小，在暗光下电阻大。3.原理：无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。4.应用：照相机。

二、【思考与探究】
【思考·讨论】家用汽车已经配备自动大灯，可以自动控制灯光的开启和关闭，比如你白天突然进入隧道或者清晨傍晚光线不好时，大灯自动打开照亮前路，使行车更安全。请问是如何实现的？(科学思维)提示：用光控开关控制大灯开启，光敏元件收集到光照强度较弱时，开关打开，大灯亮起。
【典例示范1】如图所示，电源电动势为E，其内阻为r，L为小灯泡(其灯丝电阻可视为不变)，R1、R2为定值电阻，R1>r，R3为光敏电阻，其阻值随光照强度的增加而减小，闭合开关S后，若照射R3的光照强度减弱，则( )A.R1两端的电压变大B.通过R2的电流变大C.电源的输出功率变大D.小灯泡消耗的功率变大
【解析】选B。将光照强度减弱，光敏电阻的阻值增大，电路中的总电阻增大；由闭合电路欧姆定律可得，电路中干路电流减小，故R1两端的电压减小，故A错误；因干路电流减小，电源的内电压减小，路端电压增大，同时R1两端的电压减小，故并联电路部分电压增大；则流过R2的电流增大，由并联电路的电流规律可知，流过灯泡的电流减小，由P=I2Rt可知，小灯泡消耗的功率变小，故B正确，D错误；由于内外电阻关系未知，不能判断电源的输出功率如何变化，故C错误。
【规律方法】对含光电传感器电路问题的思路分析(1)判断电路的整体连接特点。(2)由光敏电阻的变化判断出整个电路总电阻的变化。(3)根据闭合电路欧姆定律判断干路中电流的变化。(4)根据电路串并联特点和欧姆定律判断出各部分电路电压和电流的变化，进而得出电压表、电流表的示数的变化和各部分功率等情况的变化。
【素养训练】1.(多选)光敏电阻被光照射时电阻会变小。如图所示，电源电动势为E，内阻为r，在有光照射光敏电阻R1时，灯泡L正常发光。当无光照射R1时，下列判断中正确的是( )A.通过光敏电阻R1的电流将变小 B.光敏电阻R1两端的电压不变C.电源两端的电压变大D.灯泡消耗的功率变大
【解析】选A、C。由题知光敏电阻被光照射时电阻会变小，当无光照射R1时电阻增大，根据闭合电路欧姆定律得知，通过光敏电阻R1的电流将变小，故A正确。光敏电阻R1两端的电压U1=E-I(RL+r)，I变小，U1增大，故B错误。由于电源两端的电压随外电阻的增大而增大，所以电源两端的电压变大，故C正确。灯泡的电阻不变，电流变小，其消耗的功率变小，故D错误。故选A、C。
2.(多选)如图所示电路，理想变压器原、副线圈匝数比为2∶1，电流表、电压表均为理想交流电表，R是光敏电阻(其阻值随照射光强度增大而减小)，原线圈接入电压随时间按u=220 sin100πt V变化的交流电，下列说法正确的是 ( )A.交流电的频率为100 HzB.电压表的示数为110 VC.照射R的光强度增大时，电流表的示数变大D.照射R的光强度增大时，电压表示数变大，灯泡变得更亮
【解析】选B、C。原线圈接入u=220 sin100πt V的交流电压，T=0.02 s，所以频率为 =50 Hz，故A错误；交流电的有效值为U1=220 V，根据 ，则U2=110 V，故B正确；R阻值随光强度增大而减小，根据知副线圈电流增大，副线圈输出功率增大，即灯泡变得更亮，根据功率相等，所以原线圈输入功率增大，原线圈电流增大，所以电流表的示数增大，但是电压表示数不变，故C正确，D错误。
【补偿训练】1.如图甲(a)所示的电路中，光敏电阻R2加上图(b)所示的光照时，R2两端的电压变化规律是图乙中的 ( )
【解析】选B。光敏电阻随光照的增强电阻减小，电路中电流增大，电阻R1两端电压增大，R2两端电压减小，但不能减小到零。故选项B正确。
2.如图所示是某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置。则( ) A.当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高B.当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低C.当仅增大R2的阻值时，可减小A、B之间的电压D.当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压
【解析】选B。R1是光敏电阻，有光照射时，电阻变小，当有人通过遮蔽光线时，R1的阻值变大，回路中的电流I减小，A、B间的电压U=IR2减小，故A项错误，B项正确；由闭合电路欧姆定律得：U=E-I(R1+r)，当仅增大R2的阻值时，电路中的电流减小，A、B间的电压U增大，故C项错误；当减小R2的阻值时，电路中的电流增大，A、B间的电压U减小，故D项错误。
考查角度2 热敏元件1.热敏元件种类：(1)正温度系数热敏电阻。(2)负温度系数热敏电阻。2.特点：(1)正温度系数热敏电阻：温度升高，电阻增加。(2)负温度系数热敏电阻：温度升高，电阻减小。
3.原理：(1)正温度系数：温度升高，载流子减少，电阻增加。(2)负温度系数：温度升高，载流子增加，电阻减少。4.应用：电子温度计(正温度系数)；空调(负温度系数)。
【思考·讨论】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，思考电烤箱是如何实现自动调控温度的？(科学思维)
提示：电烤箱内置温度控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。

三、【典例分析】
【典例示范2】某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性。现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)。电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等。
(1)若用上述器材测量热敏电阻的阻值随温度变化的特性，请你在图甲中的实物图上连线。(2)实验的主要步骤：①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，_________，断开开关； ③重复第②步操作若干次，测得多组数据。
(3)实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得图乙的R-t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R-t关系式：R=_________+_________t(Ω) (保留3位有效数字)。 
【解析】(1)直流恒流电源在正常工作状态下输出的电流恒定，故只需要将电压表与电阻并联测量出电压即可，实物图连线如图
(2)本实验要测量电阻值和温度值的关系，电阻要用欧姆定律计算，由于电流恒定且已知，故需测量电压和温度；故答案为：记录电压表电压值、温度计数值。
(3)从图中取相距较远的两个特殊点，代入R=R0+kt计算，由图有120=R0+50k104=R0+10k解得R0=100 Ωk=0.395故该热敏电阻的R-t关系式：R=100+0.395t故答案为：100，0.395
(2)②记录电压表电压值、温度计数值(3)100 0.395
【素养训练】1.如图所示是一火警报警器的部分电路示意图。其中R2为用半导体负温度系数热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时，显示器的电流I，报警器两端的电压U的变化情况是( )A.I变大，U变大 B.I变大，U变小C.I变小，U变大D.I变小，U变小
【解析】选D。R2所在处出现火情时，温度升高，则R2的阻值减小。R2↓→R总↓→I干↑→U1↑→U3↓→I↓，故显示器的电流I变小，由U=E-I干r，I干变大，知U变小，故选项D正确。
2.某学习小组的同学在用“多用电表研究热敏电阻特性”的实验中，安装好如图所示的装置。向杯内加入冷水，此时温度计的示数为20 ℃，多用电表选择适当的倍率，读出热敏电阻的阻值。然后向杯内加入热水，当温度计的示数为60 ℃时，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.多用电表应选用电流挡，温度升高时换用大量程测量B.多用电表应选用电流挡，温度升高时换用小量程测量C.多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率大的挡测量D.多用电表应选用欧姆挡，温度升高时换用倍率小的挡测量
【解析】选D。测电阻应选用欧姆挡。当温度升高时，热敏电阻的阻值受温度变化的影响，多用电表的指针偏转角度增大，说明电阻的阻值变小，所以应换用倍率小的挡测量，选项D正确。

四、【基础巩固】
【补偿训练】1.(多选)如图所示，Rt为正温度系数热敏电阻，R1为光敏电阻，R2和R3均为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r， 为理想电压表，现发现电压表示数增大，可能的原因是 ( )A.热敏电阻温度升高，其他条件不变B.热敏电阻温度降低，其他条件不变C.光照增强，其他条件不变D.光照减弱，其他条件不变
【解析】选B、D。电压表示数变大，而R3为定值电阻，说明流经R3的电流增大，由电路结构可知，这可能是由于Rt减小或R1增大，由热敏电阻和光敏电阻特性知，可能是由于温度降低或光照减弱，故B、D正确，A、C错误。
2.有一热敏电阻的电阻值在t1～t4的温度变化范围内，R-t图像如图所示。现将该热敏电阻接在欧姆表的两表笔上，做成一个电阻温度计。为了便于读数，再把欧姆表上的电阻值转换成温度值。现在要使该温度计对温度的变化反应较为灵敏，那么该温度计测量哪段范围内的温度较为适宜(设在t1～t4温度范围内，欧姆表的倍率不变)( )A.t1～t2 B.t2～t3C.t3～t4 D.都可以
【解析】选B。由题图可知热敏电阻的电阻值随温度的升高而增大，在t2～t3温度范围内，电阻值随温度的变化较大，即电阻值对温度的变化较为灵敏，故选B。
考查角度3 磁敏元件1.磁敏元件名称：霍尔元件。2.特点：在电流不变的情况下，霍尔电压与磁感应强度成正比。3.原理：载流子在洛伦兹力的作用下，在与电流和磁场垂直方向聚集，形成霍尔电压。4.应用：电磁流量计。
【思考·讨论】2019年4月15日起，电动自行车新国标正式实行。标准规定电动车最高时速不超过25 km，整车质量(含电池)不超过55 kg，需要有脚踏骑行能力，电功率不超过400 W，蓄电池标准电压不超过48 V。车速达到15 km/h时需要发出提示音。那么电动车是如何测速度的？
提示：把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。
【典例示范3】(多选)自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法中正确的有( )
A.根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小B.自行车的车速越大，霍尔电势差越高C.自行车的车速越大，霍尔电势差越低D.如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小
【解析】选A、D。 根据单位时间内的脉冲数，可求得车轮转动周期，从而求得车轮的角速度，最后由线速度公式，结合车轮半径，即可求解车的速度大小，故A正确。根据qvB= 得，UH=vBd，由电流的微观定义式：I=neSv，n是单位体积内的电子数，e是单个导电粒子所带的电量，S是导体的横截面积，v是导电粒子运动的速度。整理得： 联立解得： (h为元件在磁场方向的厚度)，可知用霍尔元件可以测量磁场的磁感应强度，保持电流不变，霍尔电压UH与车速大小无关，故B、C错误。 若长时间不更换传感器的电源，那么电流I减小，则霍尔电势差将减小，故D正确。

五、【拓展培优】
【素养训练】(多选)利用如图所示的方法可以测量磁场的磁感应强度，现测得：一块横截面为矩形的金属导体的宽为b，厚度为d，并加有与侧面垂直的匀强磁场，通以图示方向电流I时，在导体上、下表面间用理想电压表可测得电压为U。已知自由电子的电荷量为e，此种金属单位体积的自由电荷数为n，则下列判断正确的是( )
A.上表面电势高 B.下表面电势高C.磁感应强度 D.磁感应强度
【解析】选B、C。电流方向水平向右，则自由电子的运动方向水平向左，根据左手定则知，电子受到的洛伦兹力向上，电子向上表面偏转，上表面得到电子带负电，下表面失去电子带正电，所以下表面电势高，故A错误，B正确。电流的微观表达式为I=neSv=nebdv，则 最终电子所受的电场力和洛伦兹力处于平衡，则有e =evB，所以 ，联立得 ，故C正确，D错误。
【拓展例题】考查内容：传感器与圆周运动知识综合【典例】如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示，
若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理数据是___________________；小车速度的表达式为v=_________；行程的表达式为s=____________________。 
【解析】小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积。设车轮的半径为R，单位时间内车轮转动圈数为k，则有v=2πRk。若齿轮的齿数为P，则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲数即为P，已知单位时间内的脉冲数为n，所以单位时间内齿轮转动圈数为 。由于齿轮与车轮同轴相连，它们在单位时间内转动圈数相等，即k= 。由以上两式可得 。同理，设车轮转动的累计圈数为k′，则有s=2πRk′，且k′= ，所以 。可见，要测出小车的速度v和行程s，除知道单位时间内的脉冲数n和累计脉冲数N外，还必须测出车轮半径R和齿轮的齿数P。答案：车轮半径R和齿轮的齿数P
1.关于传感器及其作用，下列说法正确的是( )A.传感器一定是把非电学量转换为电学量B.传感器一定是把非电学量转换为电路的通断C.传感器把非电学量转换为电学量是为了方便地进行测量、传输、处理和控制D.电磁感应是把磁学的量转换为电学的量，所以电磁感应也是传感器
【解析】选C。传感器是指一种元件或装置，它能感受力、温度、光、声、磁、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，或转换为电路的通断；其作用和目的是更方便地测量、传输、处理、控制非电学量，找出非电学量和电学量之间的对应关系；选项C正确，A、B错误；电磁感应是原理，不是元件和装置，不能称为传感器，选项D错误；故选C。
2.下列仪器或装置不是利用传感器的是( )A.汽车防盗报警器B.宾馆房间内的火灾报警器C.工兵用的地雷探测仪D.用钥匙打开房门【解析】选D。A、B、C三种仪器都是将非电学量转换成电学量的装置，都是利用了传感器。用钥匙打开房门是利用了机械原理，不是利用的传感器。
3.利用光敏电阻制作的光传感器，记录了传送带上工件的输送情况，如图甲所示为某工厂成品包装车间的光传感记录器，光传感器B能接收到发光元件A发出的光，每当工件挡住A发出的光时，光传感器就输出一个电信号，并在屏幕上显示出电信号与时间的关系，如图乙所示。若传送带始终匀速运动，每两个工件间的距离为0.2 m，则下列说法正确的是( )
A.传送带运动的速度是0.1 m/sB.传送带运动的速度是0.4 m/sC.该传送带每小时输送3 600个工件D.该传送带每小时输送7 200个工件
【解析】选C。从图乙可以知道：每间隔1 s的时间光传感器就输出一个电信号，而在这一段时间内传送带运动了两个工件之间的距离，所以传送带运动的速度是v= m/s=0.2 m/s。故A、B错误；传送带每小时传送的距离为s=vt=0.2×3 600 m=720 m，工件个数为n= =3 600个，C正确，D错误。

六、【整合提升】
4.(多选)如图所示，在电路中接一段钨丝(从旧日光灯管中取出)，闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时灯泡亮度明显变暗，根据钨丝的上述特性，可用钨丝来制作一个温度传感器，下面的说法中正确的是( )A.该传感器利用了钨丝的化学性质B.该传感器利用了钨丝电阻随温度变化而变化的特性C.该传感器能够把热学量(温度)转换为电学量(电阻)D.该传感器能够把电学量(电阻)转换为热学量(温度)
【解析】选B、C。由题目中的实验现象可知钨丝的电阻随温度的升高而增大，随温度的降低而减小，利用该特性可以制成温度传感器，传感器能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，B、C对，A、D错。
【补偿训练】(多选)如图所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路。其中的运行绕组是电冰箱在工作时电动机定子，由于交流电是单相的，启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场，在启动绕组的支路中串联有一个PTC元件，这是一种以酞酸钡为主要材料的热敏电阻器，电流流过PTC元件，元件发热，它的电阻率随温度升高而发生显著变化，当电动机正常转动以后，PTC元件温度较高，电阻很大，启动绕组电流很小。以下判断正确的是( )
A.电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少B.电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少C.电冰箱启动后，启动绕组功率不变，运行绕组功率是变化的D.电冰箱启动后，启动绕组功率是变化的，运行绕组功率不变【解析】选B、D。启动时，由于PTC元件温度低，电阻小，通过的电流很大，故耗电多，B正确；启动后，随PTC元件温度升高，PTC元件电阻增大，通过启动绕组的电流减小，故启动绕组功率是变化的，而运行绕组电压不变，电流也不变，故功率不变，则D正确。
5.(多选)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，则( )A.电势φa>φbB.电势φb>φaC.电流增大时，|φa-φb|增大D.其他条件不变，将铜板改为NaCl水溶液时，电势结果仍然一样
【解析】选A、C。铜板中的自由电荷是电子，电子定向移动的方向与电流的方向相反，由左手定则可判断出电子因受洛伦兹力作用向b侧偏转，所以φa>φb，A正确，B错误；因|φa-φb|= ，所以电流增大时，|φa-φb|增大，C正确；若将铜板改为NaCl溶液，溶液中的正、负离子均向b侧偏转，|φa-φb|=0，即不产生霍尔效应，故D错误。
【新思维·新考向】情境：华为企业在困难重重的情况下勇于创新，于2019年发布的旗舰机Mate30 Pr添加了一项黑科技功能叫隔空手势，双手不去接触手机，也能通过隔空用手势对手机进行操控！问题：(1)对手机进行隔空操控需要用到什么仪器？它的作用是什么？(2)这种仪器的主要部件有哪些？