高中物理选择性必修第二册 传感器应用 知识清单

高中物理选择性必修第二册传感器应用知识清单一、传感器基础知识与核心原理（一）传感器的定义与作用【基础】传感器是一种能够感受或响应被测量（如力、热、光、声、磁、化学成分等非电学量），并按照一定规律将其转换成便于传送和处理的可用信号（通常是电压、电流、电阻等电学量，或电路的通断）的器件或装置。它是测量系统、自动控制系统和智能设备中感知外界信息的“感觉器官”，是实现信息采集、处理与控制的关键第一步24。（二）传感器的组成与工作模式【基础】传感器通常由两个基本部分组成：1.敏感元件：直接感受被测量（非电学量）并输出与之有确定关系的其他物理量（仍为非电学量）的元件。它是传感器的核心，决定了传感器的类型和基本性能，例如双金属片、感温铁氧体、弹性膜片等48。2.转换元件：将敏感元件输出的非电学量转换为电学量（如电阻、电容、电压等）的元件。例如，将应变片的形变转换为电阻变化的半导体应变层，将压力引起的极板间距变化转换为电容变化的电极8。在实际应用中，传感器通常还需要后续的转换电路，将转换元件输出的电学量进一步处理、放大、调制，成为易于测量、显示、记录和控制的电压、电流信号。其一般工作模式为：非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量48。（三）常见敏感元件及其特性【高频考点】★★★1.光敏电阻：1.2.特性：这是一种用半导体材料（如硫化镉）制成的光电导器件。其原理是基于内光电效应。无光照时，载流子（电子空穴对）极少，电阻很大（暗电阻）；随着光照增强，激发的载流子数增多，导电能力变强，电阻变小（亮电阻）24。2.3.作用：将光照强弱（光学量）转换为电阻大小（电学量）。3.4.重要结论：光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小。【非常重要】5.热敏电阻与金属热电阻：1.6.金属热电阻（热电阻）：金属的电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数。用金属铂或铜丝制成，线性度好，测温范围广，但灵敏度相对较低24。2.7.热敏电阻：由半导体材料制成，根据温度系数不同可分为两类：1.3.8.【重点】负温度系数热敏电阻：温度升高，电阻减小。这是最常见的一种29。2.4.9.正温度系数热敏电阻：温度升高，电阻增大2。5.10.作用：将温度（热学量）转换为电阻（电学量）。6.11.重要结论：分析电路时，务必看清是哪种类型的热敏电阻。负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而减小。【非常重要】12.电阻应变片（力敏元件）：1.13.特性：基于金属的电阻应变效应或半导体的压阻效应。当导体或半导体在外力作用下发生机械形变（伸长或缩短）时，其电阻值会随之发生变化。拉伸时，几何尺寸变化（长度增加、横截面积减小），电阻增大；压缩时，电阻减小24。2.14.作用：将形变（力学量）转换为电阻变化（电学量）。它是电子秤、压力传感器等的核心元件2。15.霍尔元件：1.16.原理：基于霍尔效应。如图所示，在一个矩形半导体薄片上通以控制电流I，并在其垂直方向施加磁场B，则垂直于电流和磁场的方向上会产生一个电势差，称为霍尔电势差UH2。2.17.公式推导：设薄片宽度为l，厚度为d，载流子速度为v。载流子受洛伦兹力F洛=qvB，受电场力F电=qEH=qUH/l。当二力平衡时，有qvB=qUH/l，得UH=vBl。又根据电流的微观表达式I=nqSv=nq(l·d)v，可得v=I/(nqld)。代入上式得：UH=(I/(nqd))·B。令k=1/(nq)，则UH=k·(IB)/d2。3.18.重要结论：【高频考点】★★★1.4.19.霍尔电势差UH与磁感应强度B成正比，与控制电流I成正比，与薄片厚度d成反比。2.5.20.霍尔元件能把磁感应强度B（磁学量）转换为电压U（电学量）。3.6.21.根据UH的正负可以判断载流子的类型（N型半导体载流子为电子，P型为“空穴”）。4.7.22.【难点】当磁场方向或电流方向反向时，霍尔电势差的方向也会反向。如果磁场和电流同时反向，则霍尔电势差方向不变。23.电容式传感器：1.24.原理：利用平行板电容器电容的决定式C=εS/(4πkd)(或C=εS/d，其中ε为介电常数，S为正对面积，d为极板间距)。当某个被测量的变化引起S、d或ε发生变化时，电容C就会改变，从而将非电学量转换为电容量的变化28。2.25.常见类型及应用：【重要】1.3.26.测位移x：通过改变电介质进入极板间的长度（改变ε或S）来改变C。2.4.27.测角度θ：通过改变动片与定片的正对面积S来改变C2。3.5.28.测液面高度h：通过改变导电液体（一极）与绝缘外套的导线（另一极）的正对面积来改变C2。4.6.29.测压力F：压力变化使可动电极膜片发生形变，从而改变极板间距d，进而改变C28。二、传感器的应用实例深度剖析（一）温度传感器的应用【重要】★★1.电熨斗：1.2.敏感元件：热双金属片。它由热膨胀系数不同的两层金属（如上层为膨胀系数大的黄铜，下层为膨胀系数小的殷钢）紧密结合而成1。2.3.工作原理：【高频考点】★★★1.3.4.常温下，双金属片平直，触点接触，电路接通，发热体加热。2.4.5.温度升高时，由于上层金属膨胀量大于下层，双金属片向下弯曲。当温度达到预设值时，弯曲程度足够使触点分离，电路断开，停止加热。3.5.6.温度降低后，双金属片逐渐恢复原状，触点重新接触，再次加热。如此反复，实现恒温控制。4.6.7.调温旋钮通过调节触点之间的压力来改变预设温度。压力越大，需要更大的弯曲度（即更高的温度）才能使触点分离1。8.电饭锅：1.9.敏感元件：感温铁氧体。这是一种软磁性材料，具有一个特定的温度点，称为“居里温度”或“居里点”。常温下具有铁磁性，可以被磁铁吸引；当温度升高到居里点（约为103℃）时，其铁磁性会突然消失，变为顺磁性，不能被磁铁吸引1。2.10.工作原理：【高频考点】★★★1.3.11.煮饭时，按下开关，永磁体在杠杆作用下上行，与感温铁氧体吸合，电路触点被接通，发热板开始加热。2.4.12.锅内水分被米吸干后，温度继续上升。当温度达到103℃（米饭熟透的温度）时，感温铁氧体失去磁性。3.5.13.永磁体在重力及弹簧作用下下落，通过杠杆机构将触点断开，自动断电，进入保温状态。4.6.14.保温功能通常由另一个双金属片控温开关独立完成，维持锅内温度在70℃左右。5.7.15.【易错点】如果用电饭锅烧水，水沸腾时温度为100℃，未达到感温铁氧体的居里点，因此不会自动断电，水会一直烧干后温度才能上升到103℃断电1。16.自动控温电路分析：【难点】1.17.例如，要求温度升高到某一特定值（如25℃）时启动风机。通常采用热敏电阻与定值电阻组成的分压电路，将温度变化转换为电压变化，再将该电压送入电压比较器或控制电路模块。当代表温度的电压达到预设的参考电压时，控制电路动作，开启风机。调试时，通常用一个电阻箱代替热敏电阻，模拟其在特定温度下的阻值，调节电路中的可调电阻，使控制电路刚好动作1。（二）光传感器的应用【重要】★★1.火灾报警器（光电式烟雾报警器）：1.2.结构：内部装有发光元件（发光二极管）和受光元件（光敏晶体管或光敏电阻）1。2.3.工作原理：分为两种类型：1.3.4.遮光型：正常情况下，发光元件发出的光正对受光元件，受光元件接收到较强光信号，产生电流。当烟雾进入探测器，烟雾粒子会遮挡光线，使得到达受光元件的光减弱，光信号减弱触发报警1。2.4.5.【重要】散射型：正常情况下，发光元件与受光元件的安置方向不是正对的（如成90度角），受光元件接收不到光信号。当烟雾进入探测器时，烟雾粒子对光产生散射，使一部分光偏离原方向照射到受光元件上，从而触发报警1。这是目前家用烟雾报警器中最常用的原理。6.光控电路（楼道照明灯）：1.7.要求：白天灯不亮，夜晚有声音时灯才亮。这需要光传感器（光敏电阻）和声传感器（驻极体话筒）共同作用。白天，光敏电阻阻值小，将控制电路锁定，无论有无声音，灯都不亮；夜晚，光敏电阻阻值大，解除锁定，此时若有声音，声控电路导通，灯亮7。（三）力传感器的应用【重要】★★1.电子秤：1.2.核心元件：应变式力传感器。通常由弹性体（如金属梁）和贴在弹性体上的电阻应变片组成24。2.3.工作原理：【高频考点】★★★1.3.4.在金属梁的上、下表面各贴一个或多个应变片，并将它们接入电桥电路。2.4.5.当梁的自由端受力F向下时，梁发生弯曲形变。上表面受拉伸长，上表面应变片的电阻变大；下表面受压缩短，下表面应变片的电阻变小4。3.5.6.应变片的电阻变化导致电桥失去平衡，输出一个与应变成正比的电压信号，而应变又与外力F成正比。因此，通过测量输出电压，就可以知道力F的大小2。6.7.电桥电路的作用：将微弱的电阻变化转换为易于测量的电压变化，提高灵敏度。8.汽车中的传感器应用：1.9.现代汽车广泛使用传感器，如：用于发动机控制（进气量、爆震、曲轴位置）、底盘控制（轮速、加速度、横摆角速度）、车身控制（碰撞、胎压、雨量、光线）等1。2.10.车窗防夹手功能：利用霍尔传感器或压力传感器检测电机的转矩或电流变化。当车窗上升遇到障碍物时，电机负载增大，电流异常变化，传感器检测到该信号后，控制系统立即反转电机，使车窗下降1。（四）电容式传感器的应用举例【基础】1.电容式话筒：【重要】★★1.2.结构：由振动膜片（可动金属膜）和固定电极构成一个平行板电容器，被直流电源充电89。2.3.原理：当声波使膜片振动时，膜片与固定电极之间的距离d随之变化，导致电容C变化。根据Q=CU，由于U（电源电压）基本不变，C的变化会引起电容器极板上电荷量Q的变化，从而在连接导线中形成充放电电流，该电流流过电阻时就转化成了与声音信号变化一致的电压信号9。3.4.【高频考点】★★★当膜片向右运动（距离d减小）时，电容C变大，电容器充电，电路中产生短暂的充电电流，方向由电源正极流向电容器正极板（即从a流向b）9。5.电容式位移/压力传感器：1.6.如通过改变电介质插入深度来测位移，或通过改变极板间距离来测压力，其核心都是利用电容公式C∝εS/d进行分析2。三、传感器问题的综合分析思路与考点（一）传感器问题的通用分析步骤【核心方法】★★★★1.明确研究对象与目的：首先要弄清题目要求我们利用传感器测量或控制什么物理量（如温度、光照、压力），以及最终要实现什么功能（如报警、显示、启动电路）。2.识别敏感元件：确定电路中的核心敏感元件是哪种（光敏、热敏、压敏、霍尔元件、电容式传感器等），并立刻回忆其特性（如：光敏电阻阻值随光照增强而减小；负温度系数热敏电阻阻值随温度升高而减小）。3.理清转化关系：分析非电学量的变化是如何引起敏感元件电学特性（R、C）变化的。4.分析电路结构：将敏感元件代入电路中，分析整个电路（串联、并联、混联、分压式、限流式）的结构。对于含有霍尔元件、电容式传感器的电路，要明确其等效电路和输出端。5.推导电学量的变化：根据电路规律（欧姆定律、串并联分流分压原理、闭合电路欧姆定律、含容电路分析等），推断当敏感元件阻值或电容变化时，电路中的电流、电压、电容器电量、板间场强等如何变化。6.结合功能得出结论：将最终的电学量变化与题目要求的执行机构功能联系起来，得出最终结论（如：电压表示数增大，意味着光照减弱；电流表示数超过阈值，意味着压力过大，触发报警）。（二）常见题型与考查方式1.定性分析题：★★★★1.2.考查方式：给定一个含敏感元件的电路，分析当外界因素（温度、光照、压力）变化时，电路中某个电表示数、灯泡亮度、电容器带电量等如何变化。2.3.解题要点：熟练掌握各类敏感元件的特性，并会运用“局部→整体→局部”的动态电路分析方法。4.定量计算题：★★★1.5.考查方式：结合图像（如热敏电阻的RT图）给出某时刻或某条件下敏感元件的具体阻值，要求计算电路中的电流、电压、电功率等。2.6.解题要点：从图像中准确读出阻值，然后代入闭合电路欧姆定律等公式进行计算。7.逻辑电路与门电路题：★★1.8.考查方式：将传感器与逻辑门电路（与门、或门、非门）结合，设计或分析一个自动控制电路（如恒温箱、报警器）。2.9.解题要点：理解传感器输出的是高电平（逻辑1）还是低电平（逻辑0），然后根据控制要求，选择合适的门电路组合。10.实验设计与调试题：★★★★★1.11.考查方式：给定一个传感器和控制目标（如温度超过50℃报警），提供实验器材（传感器、电阻箱、电源、开关、导线、滑动变阻器、报警器等），要求连接电路并描述调试步骤13。2.12.解题要点：【非常重要】1.3.13.等效替代法：在调试阶段，通常用电阻箱代替传感器，模拟其在设定条件下的阻值。2.4.14.分压式接法：如果控制电路（如电压比较器）有输入阈值，常采用分压电路来设置参考电压。通过调节滑动变阻器，可以灵活地设定报警点。3.5.15.调试步骤：电路连接好→将电阻箱调到传感器在预设条件下的阻值→闭合开关→调节可变电阻（如滑动变阻器或另一个电阻箱），直到执行机构（如报警器）刚好动作→断开开关，用传感器换下电阻箱，完成调试。（三）易错点与解题警示【非常重要】★★★★★1.混淆敏感元件类型：拿到题目，第一步必须看清单敏元件是正温度系数还是负温度系数。不能想当然地认为所有热敏电阻都是随温度升高阻值减小。2.忽视电路结构：不能孤立地看敏感元件，要将其放在整个电路网络中分析。例如，光敏电阻串联和并联在电路中，其对总电阻、总电流、路端电压的影响是完全不同的。3.对霍尔元件方向的误判：分析霍尔元件时，必须明确电流方向、磁场方向和霍尔电极的方向，确保三者两两垂直。用左手定则判断载流子偏转方向时，要注意载流子的正负。若载流子为负电，则四指指向电流反方向。4.电容式传感器的动态分析：当电容器两端始终与电源相连时，电压U不变，分析Q、E、C随d、S、ε的变化；当电容器充电后与电源断开时，电荷量Q不变，分析U、E、C的变化。这是两个极易混淆的基本模型。5.忽略电源内阻：在动态分析中，如果题目没有明确说“电源内阻不计”，则必须考虑内阻对路端电压的影响。四、典型例题与解题示范【例1】（多选）如图为某商场的自动门控制系统示意图。自动门底部装有若干组红外线发射器和接收器，当人走进门口时，门自动打开；人通过后，门自动关闭。关于该自动门，下列说法正确的是（）A.该自动门使用的传感器是压力传感器B.红外线是一种不可见光，传感器接收的是人体发出的红外线C.当人走近时，传感器接收到的红外线强度发生变化，导致电路中的电学量改变，从而驱动电机开门D.若在门上安装光敏电阻，也可实现完全相同功能【解析】选C。自动门通常使用红外线传感器，它可以是主动式（发射并接收反射的红外线）或被动式（接收人体自身发出的红外线），A错误B错误（通常为主动式，探测反射红外线的变化，但也有被动式，但原理都是探测红外线强度的变化）。红外线强度变化被传感器接收后，转换为电信号，经放大后驱动电机，C正确。光敏电阻探测的是可见光强度，无法有效探测人体存在，因此不能实现完全相同功能，D错误。【例2】（2023·浙江模拟）某同学设计了一个“汽车超载报警电路”，如图甲所示。其中R0为定值电阻，R为压敏电阻，其阻值随压力F的变化关系如图乙所示。AB间的电压UAB用于控制报警电路，当UAB大于某设定值时，报警器响起。已知电源电动势E=9V，内阻不计。请回答：（1）由图乙可知，压敏电阻R的阻值随压力F的增大而______（选填“增大”或“减小”）。（2）当压力F增大时，AB间的电压UAB将______（选填“增大”、“减小”或“不变”）。（3）若要调高报警器的报警压力（即让压力更大时才报警），应将R0的阻值______（选填“调大”或“调小”）。【解析】（1）从图乙可以看出，随着横坐标压力F的增大，纵坐标压敏电阻的阻值是减小的。答案：减小（2）分析电路，R0与R是串联关系。AB间的电压UAB是R0两端的电压。根据串联电路分压原理，UAB=(R0/(R0+R))·E。当压力F增大时，R减小，则分压比R0/(R0+R)增大，因此UAB增大。答案：增大（3）报警压力调高，意味着当压力F更大时，UAB才达到报警的设定值。压力更大时，R变得更小。假设报警的电压设定值为U设不变。由U设=(R0/(R0+R小))·E，可以解出R0与R小的关系：U设·(R0+R小)=R0·E=>U设·R0+U设·R小=R0·E=>R0(EU设)=U设·R小=>R0=[U设/(EU设)]·R小。由于U设和E是定值，所以比例系数k=U设/(EU设)是定值。当报警压力调高时，R小（报警时的阻值）变小，那么计算出的R0也应该变小。或者从逻辑上理解：为了让压力更大（R更小）时才达到同样的U设，我们需要让分压电阻R0在正常压力下分得的电压更低一些，因此R0应该调小一些。答案：调小【例3】用霍尔元件测试磁场时，一个边长为l、厚度为d的矩形霍尔片，通入从左到右的电流I，磁场方向垂直纸面向里。测得上下两表面M、N间的电压为U，且M点电势高于N点。（1）该霍尔元件中的载流子带______电（选填“正”或“负”）。（2）该处的磁感应强度B=______（用已知量表示，已知载流子浓度为n，元电荷为e）。【解析】（1）电流从左向右，若载流子带正电，则其定向移动方向也是从左向右。正电荷受洛伦兹力方向由左手定则判定：掌心向里（磁场穿入手心），四指指向右（正电荷运动方向），则拇指指向下，即正电荷向下表面N偏转，导致N极电势高。但题目中“M点电势高于N点”，说明是负电荷向上偏转，因此载流子带负电。答案：负（2）当上下表面电荷积累达到稳定时，电场力与洛伦兹力平衡：e·(U/l)=e·v·B。根据电流微观表达式I=n·e·S·v=n·e·(l·d)·v。由第二式解出v=I/(neld)，代入第一式得：U/l=(I/(neld))·B，化简得：U=(1/(ned))·I·B。所以B=(nedU)/I。答案：nedU/I五、实验：传感器的简单使用（一）实验目的【基础】1.了解光敏电阻、热敏电阻的阻值特性。2.掌握传感器控制电路的基本调试方法。（二）