第五章：第2節(jié)常見傳感器的工作原理及應(yīng)用高中物理選擇性必修第二冊(cè)制作：陳慶威問題？01.高中物理選擇性必修第二冊(cè)我們知道，傳感器可以感受光強(qiáng)、溫度、力、磁等非電學(xué)量，并把它們轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量輸出。那么，常見的傳感器是怎樣感知非電學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的呢？利用不同的敏感元件制成的各種傳感器又有哪些應(yīng)用呢？目錄CONTENT高中物理選擇性必修第二冊(cè)光敏電阻金屬熱和熱敏電阻電阻應(yīng)變片霍爾元件光敏電阻第一部分光敏電阻01.高中物理選擇性必修第二冊(cè)1.特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小。2.電阻變化的原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為硫化鎘是半導(dǎo)體材料，無光照時(shí)，載流子極少，導(dǎo)電性能不好；隨著光照的增強(qiáng)，載流子增多，導(dǎo)電性變好。3.作用：把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。R光照O觀察光敏電阻特性01.高中物理選擇性必修第二冊(cè)高中物理選擇性必修第二冊(cè)應(yīng)用：光電計(jì)數(shù)傳送帶上有無物品光敏電阻有無光信號(hào)光敏電阻阻值輸出電壓大小無有有無較小較大較低較高

這種高低交替變化的信號(hào)經(jīng)過處理，就會(huì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。光敏電阻的應(yīng)用03.為什么半導(dǎo)體材料對(duì)溫度更敏感？04.高中物理選擇性必修第二冊(cè)空穴自由電子SiSiSiSiSiSiSiSiSi

溫度提高，一些電子掙脫原子核的束縛變?yōu)樽杂呻娮印?/p>

而電子原來的位置就變?yōu)榭昭?，這些空穴相當(dāng)于帶正電荷的粒子

一旦半導(dǎo)體接進(jìn)電路，形成電場，自由電子沿著空穴前進(jìn)，相當(dāng)于正負(fù)電荷都在移動(dòng)形成電流

溫度越高，掙脫的自由電子就越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

E光敏電阻的工作原理05.高中物理選擇性必修第二冊(cè)光敏電阻工作原理：光照增強(qiáng)半導(dǎo)體材料中的載流子（自由電子和空穴）濃度增加

材料的電阻率減小金屬熱電阻和熱敏電阻第二部分高中物理選擇性必修第二冊(cè)金屬熱電阻和熱敏電阻01.材料：金屬1.金屬熱電阻RTo

2.熱敏電阻材料：半導(dǎo)體材料RTo特性：阻值隨溫度的升高而增大特性：阻值隨溫度的升高而減小高中物理選擇性必修第二冊(cè)溫度電阻金屬熱電阻和熱敏電阻溫度傳感器與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。金屬熱電阻和熱敏電阻02.高中物理選擇性必修第二冊(cè)金屬熱電阻特性熱敏電阻特性金屬熱電阻和熱敏電阻03.高中物理選擇性必修第二冊(cè)熱敏電阻的應(yīng)用：低油位報(bào)警裝置金屬熱電阻和熱敏電阻04.電阻應(yīng)變片第三部分電阻應(yīng)變片01.高中物理選擇性必修第二冊(cè)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變（伸長或縮短）時(shí)，其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化。應(yīng)變片是把形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個(gè)電學(xué)量。電阻應(yīng)變片02.高中物理選擇性必修第二冊(cè)1.金屬電阻應(yīng)變片2.半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片拉力→L變長→S變小→電阻變大壓力→L變短→S變大→電阻變小金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為壓阻效應(yīng)。思考與討論03.高中物理選擇性必修第二冊(cè)

如圖所示，當(dāng)被測物體在左、右方向發(fā)生位移時(shí)，電介質(zhì)板隨之在電容器兩極板之間移動(dòng)。如果測出了電容的變化，就能知道物體位置的變化。用什么方法可以檢測電容的變化？電容式位移傳感器能把物體的位移這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容這個(gè)電學(xué)量。

電容電容器電容式傳感器位移高度壓力角度電容器傳感器04.高中物理選擇性必修第二冊(cè)測定角度θ

測定液面高度h

測定壓力F

測定位移x

改變S改變S改變S改變d電阻應(yīng)變片應(yīng)用05.高中物理選擇性必修第二冊(cè)電子秤使用的測力裝置：力傳感器拓展學(xué)習(xí)——應(yīng)變片原理應(yīng)變片通過電阻隨形變變化的原理來測量壓力，當(dāng)材料受力變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)改變。電阻應(yīng)變效應(yīng)半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，其靈敏度高于金屬應(yīng)變片，適用于高精度測量。半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼式應(yīng)變片通常由金屬箔制成，貼在被測物體表面，通過測量電阻變化來感知應(yīng)力。粘貼式應(yīng)變片010203霍爾元件第四部分霍爾效應(yīng)的命名霍爾效應(yīng)以發(fā)現(xiàn)者埃德溫·赫伯特·霍爾命名，他于1879年在約翰霍普金斯大學(xué)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象?；魻栃?yīng)的命名由來該效應(yīng)被科學(xué)界正式命名為“霍爾效應(yīng)”，以紀(jì)念霍爾在電磁學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)和發(fā)現(xiàn)?；魻栃?yīng)的科學(xué)命名霍爾效應(yīng)原理當(dāng)電流通過置于磁場中的導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體的垂直方向產(chǎn)生電壓，即霍爾電壓。霍爾電壓的產(chǎn)生霍爾效應(yīng)可以通過霍爾系數(shù)與電流、磁場強(qiáng)度和導(dǎo)體厚度的乘積來數(shù)學(xué)描述?；魻栃?yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)霍爾系數(shù)是表征材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的物理量，與材料的載流子濃度和類型有關(guān)?；魻栂禂?shù)的定義010203霍爾元件的材料霍爾元件通常使用摻雜半導(dǎo)體材料，如砷化鎵或硅，以產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。半導(dǎo)體材料01某些霍爾傳感器使用金屬材料，如鉑或銅，雖然它們的霍爾電壓較低，但響應(yīng)速度快。金屬材料02為了提高霍爾元件的性能，有時(shí)會(huì)采用復(fù)合材料，結(jié)合不同材料的優(yōu)點(diǎn)，如更高的靈敏度和穩(wěn)定性。復(fù)合材料03霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件通過半導(dǎo)體材料在垂直于電流方向施加磁場，產(chǎn)生霍爾電壓，用于測量磁場強(qiáng)度?；魻栯妷旱漠a(chǎn)生原理01霍爾元件通常由高遷移率的半導(dǎo)體材料制成，如砷化鎵或硅，以提高靈敏度和響應(yīng)速度?；魻栐牟牧线x擇02元件的幾何形狀和尺寸對(duì)霍爾效應(yīng)的靈敏度有直接影響，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮最佳尺寸和形狀。霍爾元件的幾何設(shè)計(jì)03霍爾元件的測量功能磁場強(qiáng)度測量01霍爾元件能夠準(zhǔn)確測量磁場強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于電機(jī)、發(fā)電機(jī)和磁性材料的檢測。電流檢測02通過霍爾效應(yīng)，霍爾元件可以非接觸式地測量電流，常用于電力系統(tǒng)和電子設(shè)備中。位置和速度傳感03霍爾傳感器可用于測量旋轉(zhuǎn)物體的位置和速度，如汽車的輪速傳感器和機(jī)床的定位系統(tǒng)。半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)傳感器可用于檢測位置和位移，例如在汽車的ABS系統(tǒng)中監(jiān)測輪速?；魻杺鞲衅髂軌蚍墙佑|式檢測電流，常用于電力系統(tǒng)和電子設(shè)備中電流的精確測量。利用霍爾元件可以精確測量磁場強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制和磁性材料研究。霍爾效應(yīng)在磁場測量中的應(yīng)用霍爾效應(yīng)在電流檢測中的應(yīng)用霍爾效應(yīng)在位置傳感中的應(yīng)用霍爾元件的使用優(yōu)勢(shì)霍爾元件能精確測量磁場強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于電流傳感器和位置傳感器中。高精度測量霍爾效應(yīng)允許元件在不接觸被測物體的情況下進(jìn)行測量，減少磨損和維護(hù)成本。非接觸式檢測霍爾傳感器對(duì)磁場變化的響應(yīng)速度快，適用于需要高速檢測的場合，如轉(zhuǎn)速測量。快速響應(yīng)時(shí)間技術(shù)創(chuàng)新方向隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾元件正朝著更小尺寸、更高集成度的方向發(fā)展，以適應(yīng)便攜式設(shè)備的需求。集成化與微型化01未來的霍爾元件將集成更多智能功能，如自診斷、數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)多功能一體化。智能化與多功能化02研究者正致力于提高霍爾元件的靈敏度，同時(shí)降低其工作時(shí)的能耗，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)等低功耗應(yīng)用領(lǐng)域。高靈敏度與低功耗03霍爾元件的應(yīng)用領(lǐng)域汽車工業(yè)霍爾傳感器在汽車中用于位置和速度檢測，如ABS系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)管理。消費(fèi)電子產(chǎn)品醫(yī)療設(shè)備霍爾元件用于醫(yī)療成像設(shè)備中，如MRI機(jī)器，以確保精確的磁場控制。智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備中使用霍爾元件進(jìn)行屏幕旋轉(zhuǎn)鎖定和接近感應(yīng)。工業(yè)自動(dòng)化霍爾傳感器在自動(dòng)化生產(chǎn)線中用于檢測物體位置，控制機(jī)械臂等設(shè)備的運(yùn)動(dòng)?；魻栐氖袌鰸摿﹄S著電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，霍爾元件在汽車傳感器中的需求有望顯著增加。01汽車行業(yè)的應(yīng)用增長霍爾元件因其小型化和高靈敏度，正被集成到各種可穿戴設(shè)備中，推動(dòng)市場增長。02可穿戴設(shè)備的集成在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，霍爾元件用于位置和速度檢測，隨著智能制造的推進(jìn)，市場潛力巨大。03工業(yè)自動(dòng)化傳感器的定義01.高中物理選擇性必修第二冊(cè)總結(jié)提升第五部分周期課堂小結(jié)高中物理選擇性必修第二冊(cè)霍爾元件01020304電阻應(yīng)變片特點(diǎn)：光照越強(qiáng)，電阻越小。光敏電阻金屬熱和熱敏電阻特性：阻值隨溫度的升高而增大特性：阻值隨溫度的升高而減小金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變（伸長或縮短）時(shí)，其電阻隨著它所受機(jī)械形變的變化而發(fā)生變化。例題1例題精選01.【參考答案】C高中物理選擇性必修第二冊(cè)某些智能手機(jī)和運(yùn)動(dòng)手環(huán)中有一種加速度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能。這種傳感器能夠測量設(shè)備在不同方向上的加速度變化，原理如圖。M和N為電容器兩極板，M極板固定，N極板兩端與兩輕彈簧連接，當(dāng)加速度變化時(shí)，N極板只能按圖中標(biāo)識(shí)的前后方向運(yùn)動(dòng)。下列對(duì)傳感器描述正確的是（）A．由勻速突然向前加速時(shí)，電容器所帶電荷量增大B．由勻速突然向前加速時(shí)，M、N間的電場強(qiáng)度增大C．若有電流由b到a流經(jīng)電流表，則加速度方向向前D．保持向前做勻速運(yùn)動(dòng)，電阻R將以恒定功率發(fā)熱解析例題解析02.高中物理選擇性必修第二冊(cè)

例題2例題精選03.【參考答案】ABD高中物理選擇性必修第二冊(cè)（多選）電熨斗構(gòu)造示意圖如圖所示，其中溫度敏感元件是雙金屬片，在溫度升高時(shí)上層金屬的膨脹大于下層金屬，可造成雙金屬片的形變。觀察電熨斗的構(gòu)造，以下說法正確的是（）A．雙金屬片的作用是控制電路的通斷B．常溫下，電熨斗的上下觸點(diǎn)是接觸的C．當(dāng)溫度過高時(shí)，雙金屬片向上彎曲D．熨燙棉麻衣物需要設(shè)定較高的溫度，調(diào)溫旋鈕應(yīng)該向下旋解析高中物理選擇性必修第二冊(cè)【解析】C．當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬片上層的膨脹系數(shù)大于下層的膨脹系數(shù)，雙金屬片向膨脹系數(shù)小的一側(cè)彎曲，即金屬片向下彎曲，故C錯(cuò)誤；AB．當(dāng)溫度過高時(shí)，雙金屬片向下彎曲使觸點(diǎn)斷開，電熨斗不工作，常溫下，電熨斗的上下觸點(diǎn)是接觸的，電熨斗工作，故雙金屬片的作用是控制電路的通斷，故AB正確；D．熨燙棉麻衣物需要設(shè)