新教材 人教版 高中物理
选择性必修第二册
第5章知识点清单
目录
第5章 传感器
第1节 认识传感器
第2节 常见传感器的工作原理及应用
第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置
第5章 传感器
第1节 认识传感器
一、神奇的传感器
1. 干簧管
(1)构造：玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。
(2)作用：当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用。
(3)类型：干簧管是一种能够感知磁场的传感器。
2. 声控—光控开关
这种开关可以感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，声控—光控开关才会接通，灯才会亮。
3. 自动门
自动门装有红外线传感器，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出使自动门开关启动的命令。
4. 传感器定义
传感器是指这样一类器件或装置：它能够感受诸如力、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可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
二、传感器的种类
利用物质的物理特性或物理效应 力传感器
磁传感器
声传感器
利用电化学反应原理 离子传感器
气体传感器
利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质 酶传感器
微生物传感器
细胞传感器
三、传感器的组成与应用模式
1. 传感器的基本组成
(1)敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受或响应外界被测非电学量的部分。
(2)转换元件：也称传感元件，是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。
2. 信号调整与转换电路：将转换元件输出的电学量放大或转换成其他电信号的电路。
3. 传感器应用的一般模式
第2节 常见传感器的工作原理及应用
一、光敏电阻
特点 光敏电阻在被光照射时电阻发生变化。光照增强时，电阻减小；光照减弱时，电阻增大
原理 制作光敏电阻的硫化镉是一种半导体材料，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，导电性能变好
作用 将光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量
二、金属热电阻和热敏电阻
种类 金属热电阻 氧化锰热敏电阻
特点 电阻率随温度的升高而增大 电阻率随温度的升高而减小
制作材料 金属导体 金属氧化物
优点 化学稳定性好，测温范围大 灵敏度好
作用 将温度这个热学量转换为电阻这个电学量
2. 在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻。若无特殊说明，热敏电阻指的是负温度系数热敏电阻。
三、电阻应变片
1. 作用：电阻应变片将物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。
2. 应变式力传感器
(1)组成：由金属梁和应变片组成。
(2)敏感元件：应变片。
(3)工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。力F越大，弯曲形变越大，应变片的电阻变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上表面应变片两端的电压变大，下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。力F越大，输出的电压差值也就越大。由电压差值的大小，即可得到外力F的大小。
四、霍尔元件
1. 构造：在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一
个霍尔元件。
2. 工作原理：如图，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B
的磁场，则M、N间出现霍尔电压UH。分析可知，霍尔电压UH与磁感应强度B有线
性关系，因此霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
五、常见传感器的特点
器件类型 敏感元件 转换类型 相关问题
光电传感器 光敏电阻 光照强弱→电阻 直流电路动态分析问题
温度传感器 热敏电阻 温度→电阻 直流电路动态分析问题
金属热电阻 温度→电阻
力传感器 应变片 物体形变→电阻 力学、运动学与直流电路结合问题
电容式传感器 电容器 力、位移等→电容 力学、运动学与含容电路结合问题
磁传感器 霍尔元件等 磁感应强度→电压 带电粒子在复合场中的运动问题
六、常见电容式传感器原理及分析
传感器 原理
测定角度θ的电容式传感器 动片与定片之间的角度θ发生变化，会引起极板正对面积S的变化，这就使电容C发生了变化。
知道C的变化情况，就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的电容式传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个电极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，电容C发生变化。知道C的变化情况，就可以知道h的变化情况
测定压力F的电容式传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，从而引起电容C的变化。知道C的变化情况，就可以知道F的变化情况
测定位移x的电容式传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化。知道C的变化情况，就可以知道x的变化情况
2. 电容器的电容C取决于极板的正对面积S、极板间距离d、极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度h等)的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，有这种用途的电容器称为电容式传感器。
第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置
一、实验：门窗防盗报警装置
1. 功能
门窗防盗报警装置具有自动提示报警的功能。在睡觉前连接好电路，启动防盗报警装置。当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。
2. 实验器材及电路图
干簧管SA、继电器(虚线框内)、发光二
极管LED、蜂鸣器H、限流电阻R、电源、
开关、导线、小磁体M。
3. 实验原理
闭合电路开关S，系统处于防盗状态。当门窗紧闭时，磁体M靠近干簧管SA，干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K，使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通，发光二极管LED发光，显示电路处于正常工作状态。当门窗开启时，磁体离开干簧管，干簧管失磁断开，继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通，蜂鸣器H发声报警。
4. 实验操作
(1)连接电路前，要先判断一下干簧管是否可以正常工作。用磁体直接靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。
(2)确定各元件可以正常工作后，按照电路图连接电路。
(3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。
二、实验：光控开关
1. 功能
光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭。利用光敏电阻设计电路，在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。
2. 实验器材及电路图
可调电阻R1、光敏电阻RG、三极管VT、发光二极管LED、限流电阻R2、继电器、二极管D、小灯泡L、电源、开关、导线等。
3. 实验原理
当环境光比较强时，光敏电阻RG的阻值很小，三极管不导通，发光二极管或继
电器所在的回路相当于断路，即发光二极管不工作；继电器处于常开状态，小灯泡
L不亮。当环境光比较弱时，光敏电阻RG的阻值变大，三极管导通，且获得足够的基
极电流，产生较大的集电极电流，点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯
泡L。
4. 实验操作
(1)按照电路图连接电路，检查无误后，接通电源。
(2)让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小
灯泡L刚好不发光。
(3)遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。
(4)让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。如果
实验现象不明显，可用手电筒加强光照，或遮盖光敏电阻，再进行观察。
